铜坑矿大面积火区治理方案研究

铜坑矿大面积火区治理方案研究

华锡集团铜井矿是一座大型地下有色金属矿山，已有30多年的历史。主要开采对象为细脉带、91和92等大矿，以及垂直方向上的局部重复。最先开采位于上部的细脉带矿体,设计采用无底柱分段崩落法。1976年开始,矿岩崩落带发生自燃,为了安全生产和防止火区蔓延,将细脉带矿体625～650m水平留作隔火矿柱,625m水平以下改为二步回采的分段空场法。采区主要有570、505两个水平,570m水平连续回采了11个采场,部分回采了4个采场,505m水平回采了8个采场,形成空区量达67.8万m3,回填13.5万m3,自然垮落回填37.5万m3,尚有13.5万m3空区未作处理。91#矿体自1985年开采至今已基本采完,矿房采用废石胶结充填,矿柱回采后采用废石充填,遗留空区24万m3。92#为缓倾斜巨型矿体,水平投影面积达0.8km2,是目前铜坑矿的主采区。自2000年以来已进行了41个矿房的采准、回采,已形成空区163万m3。由于火区隐患的制约和民采的干扰,细脉带矿体开采长期处于断断续续的状态,导致总体开采顺序的紊乱,三大矿体形成了上下空区群,在三大矿体重叠区范围,大部分空区之间不同程度的呈水平或垂直贯通,地压活动频繁。随着92#矿体开采范围的扩大,地压活动有不断加剧的趋势,曾发生过规模不等的自然垮落和地表塌陷。华锡集团为治理火区事故隐患,先后投入6000余万元进行采空区的封堵、充填,建造地表塌陷区的防洪设施,完善碎石充填系统以及应急工程,但是由于隔火矿柱的完整性已受到严重破坏,以前遗留未经处理的大量空区可能带来大规模岩石移动的威胁,火区安全隐患仍然可能由于突发事件而失控。大量不规则分布的空区,形成了空区群的复杂结构,隔火矿柱也因为民采和自然垮塌而使其完整性受到破坏,采用常规的技术和工艺参数很难实施,必须考虑治理方案的快速、高效特点和适应于特殊工艺技术条件下的灵活性、适用性。三大矿体的重叠区是事故隐患治理工程和作业的关键部位,采用高效技术手段,集中作业,选择工程岩体相对稳定并进行有效支护和重点监测,确保治理工程的安全实施[1。1爆破区的地压监测经过对可行性治理方案的分析论证和审议,决定采用部分空区充填,阶段集束炮孔大参数分区全面积崩落,周边小硐室切割隔火矿柱,块体隔离和斜面放矿的总体治理方案。即先行将560m以下关键部位的空区进行充填,以提高上部采场的稳定性,避免上下采空区间的剪切破坏,560m以上的采场分两个爆区进行整体崩落,第一爆区包括11#、大12#、13#、大14#采场及隔火矿柱。第二爆区为11#采场以西至6#采场及对应的隔火矿柱,570m水平6#采场以西细脉带采区采矿作业已在火区和空区的影响范围之外。经历“11.24”大16#采场自然垮落之后,地压监测表明细脉带采区的地压活动趋于平缓,火区处于受控状态,是实施安全隐患治理的有利时机。考虑工作量和成本,在570m以下,根据数值分析,仅对关键部位的空区进行充填,包括79#脉、10#、1#主脉等细脉带空区以及与之相关联的91#、92#的重叠区范围内的空区,充填工程量总计136812m3。2崩落布孔概况细脉带属高温—中温热液交代型矿床,赋存于上泥盆纪碳质页岩、灰岩中,矿体形态主要呈细脉带或厚板状、板状,以裂隙脉矿化为主,矿石构造主要有块状结构、脉状结构、浸染状构成,强度系数f=8～12,密度2.5g/cm3,矿体中无较大的构造破坏。第一爆区东侧为已经自然冒落的原大16#采场及已被部分充填的15#采场,西侧的11#采场回采后部分充填,上部650m以上为原崩落矿岩自燃火区,导致临近的650m水平附近一带的岩温升高。下部560m出矿水平以下79#脉、10#、1#主脉等空区进行了充填。在大14#和大12#采场内均分布有原设计分段空场法的分层凿岩巷道并已部分进行了回采。大量的凿岩巷道和浅采空区是整体崩落布孔设计的不利条件。爆区范围计有浅采空区7.14万m3,巷道空间总量1.78万m3,共计8.92万m3,考虑11#、15#采场均为充填碎废石松散堆积,第一爆区总体上属于轻挤压爆破。爆区上部650m水平以上的矿岩崩落体的自燃火区采用地表覆盖,井下局部封闭以及有针对性地分区灌石灰水综合防火措施,处于受控状态。燃烧体中心位于8#线120～140m深处,向东蔓延个别地段已接近地表,中心温度150℃,西部异常区在3#一带,核心温度100℃,650m水平6-1#测孔深10m处温度为90℃,8#测孔6.5m深处温度为45℃。现场监测与数值分析表明,隔火矿柱及一爆区范围的主体部分基本处于稳定状态。3束状深孔与爆破试样的布置鉴于爆破区的技术条件,所采用的技术方案应具有快速、高效、集中作业的特点,并且提供的装药设计适应于爆破工程岩体内诸多巷道、不规则采空区及局部塌落造成的复杂形态[2。经分析论证确定采用以束状阶段深孔为主,辅以局部中深孔和小硐室,一次起爆的整体爆破方案。束状阶段深孔的凿岩水平设于岩层相对完整稳定的635m水平,635m水平以下局部束状阶段深孔无法控制的矿岩体在分段凿岩巷道采用中深孔爆破,在635m至650m水平的隔火矿柱与顶底板交界处布置小硐室,以避免采用上向中深孔临近岩体高温区的危险,进行隔火层的切割崩落。下向束状深孔从635m水平打到570m水平,孔深62m,大12#采场因局部空区的阻隔,打到584m水平,孔深30m,全爆区共布置束状孔28组,总孔深8523m,小硐室11个,中深孔1918.3m(图1、图2)。一爆区采用的束状孔阶段深孔由孔径165mm的近距离平行孔组成,束孔孔间距为5倍孔径,每束孔根据负担的爆破量和爆破阻抗不同由4～9个孔组成,束间距为4～9m。束状孔的最小抵抗线按式W=(25~35)n√dW=(25~35)nd计算,式中,n—束孔的孔数;d—孔径。在阶段束状深孔由于不规则浅采空区和巷道的阻隔无法控制的部分,分别采用孔径100mm和60mm的中深孔,扇形孔的密集系数取1.0,排间距分别为2.7m和1.75m。在635m水平沿矿体顶底盘布置9个小硐室,以便在束状阶段深孔整体崩落635m以下的细脉带矿体之后,整体切割崩落635m以上的隔火矿柱。小硐室装药均为1300kg,间距12～15m,最小抵抗线15m。考虑到爆破的总成本、爆破预期效果、作业效率和安全等因素,除个别临近高温区炮孔(温度超过40℃)或有水的阶段束状孔装乳化铵油炸药外,大多数阶段束状深孔均装多孔颗粒铵油炸药。所有中深孔采用铵油混合炸药,风动机械化装药,总装药量159.2t。4散体充填体爆破大14#采场以浅采区和15#采场以东塌陷充填区为自由面和补偿空间局部挤压爆破;大12#采场以该采场的浅采空区和11#采场散体充填体作为主要补偿空间作挤压爆破。总的起爆顺序为:①570m水平中深孔;②584m水平中深孔;③大14#采场束状阶段深孔;④大12#采场阶段束状深孔;⑤635m水平小硐室。全爆区采用非电起爆系统,共分20段起爆,最大分段药量8366kg,系统总延时2500ms,非电雷管192枚,导爆索14290m。5空气成立阻波墙,确定最大段药量q根据V=k(Q1/3R)αV=k(Q1/3R)α质点振动速度经验公式圈定爆破震动的安全范围,中等稳定岩石巷道最大质点位移速度为30cm/s,重点保护的地下构筑物最大位移速度10cm/s。为确定k、α值,就地进行爆破测振试验,测得k=40.375,α=2.07,最大分段药量Q按10000kg计算,当V不大于20cm/s时,安全半径R为91m,V>20cm/s时,安全半径为280m[3。大爆破空气冲击波超压按下式计算式中,Q—最大同段起爆药量,kg;V—由爆区到观察点的巷道总体积,m3;η—夹制条件下的深孔爆破系数,取0.3～0.35。按Q=10t,η=0.3,V=2000m3计算为防止空气冲击波的危害,对大爆破进行了监测,并采用大于20倍孔径充填长度的深孔装填结构设计,建立柔性阻波墙,敏感部位及重要设施采取加固和防护措施,爆区周围共9道柔性阻波墙。根据试验爆破确定的场地参数计算和“爆破规程”,以爆区中心在地表的投影为计算原点,危险区半径为400m,警戒区半径为800m。6运输均不同设备的起爆作业除了场地条件,工程质量和安全检查,运输线路、通风系统和爆破有害效应防护工程外,从运药开始至爆破起爆实行72h倒计时的严密施工进度计划和相应的人员组