宜昌某磷矿采场稳定性分析及安全回采研究

郭 旺，曾文平

（中蓝长化工程科技有限公司，湖南 长沙 410000）

随着采空区体积形态不断变化，应力也会进行重新分布，当应力集中达到岩石稳定性强度时，则易引发起变形破坏，部分位置开始出现冒落，甚至是突发较大规模的冒落［1］。在生产实际中，矿柱尺寸是一个非常重要的参数，如果矿柱尺寸过大，回采率就会降低，浪费资源；矿柱尺寸较小，则会影响采矿作业安全，带来生产安全隐患。因此，加强采场结构参数优化研究工作也非常有必要［2，3］。

1 采矿方法及开采顺序

1.1 采矿方法

宜昌某磷矿矿层赋存于震旦系陡山沱组地层中，为隐伏矿，整体呈平缓向北倾斜的单斜构造，平均倾角5.5°，矿区范围内褶皱和断裂构造不发育。

Ph2矿层的顶板为中薄层状灰、浅灰色含磷白云岩，底板为中-中厚层状灰、浅灰色含磷白云岩（Ph1矿层顶板）。

Ph1矿层的顶板为中-中厚层状含磷白云岩（Ph2矿层底板），矿层底板主要为黑色含磷泥岩，少量含磷白云岩。

根据矿体的赋存特点和矿石的价值，Ph22矿层采用点柱式空场嗣后尾砂充填采矿法，Ph13矿层采用条带式空场嗣后胶结充填法。点柱式空场法在宜昌地区生产实践经验丰富，工艺成熟，生产工作组织简单，易于管理，矿块回采结束后用相邻企业公司重介质尾砂充填采空区；因两层矿间距较小，为保障下磷层回采安全，对下层矿采用二步骤嗣后充填法，条带式两步骤回采，先采矿柱，然后用尾砂胶结充填采空区，待充填体达到一定强度后回采矿房，之后用尾砂充填空区，并对充填空间进行密闭。

考虑到两层矿间夹层较薄，两层矿同时回采，上层矿回采工作面领先下层矿一个循环，形成阶梯式回采。

1.2 开采顺序

根据矿体赋存情况，按照自上而下、先高后低的开采顺序开采，上层矿领先下层矿一个循环。

2 采场结构参数及安全性分析

2.1 采场结构参数

上层矿矿块沿走向长100 m，沿倾向长100 m，矿块间留宽4 m的间柱，顶底柱沿走向布置，分段运输巷道布置在顶底柱中。在矿块内沿走向水平布置矿房，矿房内留规则的点柱，点柱尺寸一般为4 m×4 m，沿走向和倾向间隔8 m布置。

下层矿回采将矿块分成5 m矿的矿柱和7 m宽的矿房，条带式开采。先采矿柱，待矿柱空区充填结束并达到强度要求后对矿房进行回采，矿房回采结束后进行废石充填；在矿块四周留有连续的间柱，确保下层矿的安全回采。

经统计全矿区Ph2矿层矿体平均厚度为3.0 m，Ph1矿层矿体平均厚度为2.5 m，两层矿之间夹层8.45 m，平均倾角5.5°。采准工程为沿矿体走向脉内布置一条分段巷道，不支护，掘进断面为14.73 m2。切割工程为在矿块中部和两端分别沿倾向脉内布置切割上山和回风口，顶部沿走向脉内布置一条切割平巷，不支护。

采矿方法脉内采准、切割工程掘进均依靠凿岩台车、耙渣机以及柴油铲运机完成。根据顶底板岩石样品力学试验结果，其天然状态下单轴抗压强度为43.42～97.35 MPa，抗剪强度7.0～11.5 MPa，均属坚硬～半坚硬岩类。间柱和顶柱较厚，对采场起到有效的支撑作用。矿块回采结束后，立即对采空区进行充填，可有效地控制地压。

2.2 采场稳定性分析

结合岩体工程实践和现代地压学说，通常认为在矿房进行开挖后，只要采场内顶板和矿柱能承受顶板围岩塑性区范围内岩体的重力，就可保证顶板和矿柱整个系统的长期稳定［4～6］。

矿块回采后，忽略矿柱对顶板围岩中塑性区范围的影响，解卡斯特纳方程即可得到顶板围岩中塑性区半径：

式中：R0为开挖半径／m；P0为开挖处的垂直自重应力；c为岩体的内聚力，为7.0 MPa；Φ为岩体的内摩擦角，为33°。

塑性区半径RP受开挖断面形状的影响很小，计算中可近似采用等效开挖半径即不同断面形状的外接圆半径代替。对于矿块，等效开挖半径R0为：

式中：L为开采空间跨度，即矿块矿房沿走向长度，96 m；h为开采空间高度，采矿方法中最大采空区高度，为3.4 m。

开挖处垂直自重应力P0为：

式中：γ为顶板围岩容重，2.86×104N／m2；H为开挖处埋深，平均取600 m。计算得出塑性区半径Pp＝51.45 m。

此时，顶压集度为：

计算得出顶压集度为1.423 MPa，因此只要顶板和矿柱能承受1.423 MPa，就可保证顶板和矿柱整个系统的稳定。

2.3 矿房跨度分析

一般来说，矿房的跨度越大在矿房顶板的岩体中央部位所受的拉应力也越大，在拉应力超过其极限抗拉强度时，顶板便会发生破坏。在保持岩体稳定、安全的前提下，矿房允许达到的最大跨度即称为“极限跨度”［7～9］。

应力破坏通常发生在两矿柱的最大跨度之间，假定它是材料力学中两端固定的平面梁板，计算时将其简化为平面弹性力学问题，取其单位厚度进行计算。

平面梁板弯矩为：

式中：q为顶压集度，为1.423 MPa；l为空区跨度／m。

平面梁阻力矩为：

式中：b为梁宽，这里取单位长度1；h0为顶板厚度，根据地质报告，矿层直接顶板平均4.0 m。

顶板允许的的应力σ许可表达为式（7）和式（8）。

式中：f为安全系数，根据开采深度等条件，安全系数取值1.8。σ拉为顶板拉应力，5.7 MPa。

因此，考虑安全系数后的采场跨度，得出：

计算得出矿柱间跨度为8.11 m，取整数为8 m。

2.4 矿柱尺寸验证

根据塑性区公式理解，整个开采空间跨度上的顶压为：

矿柱平均应力：

式中：M为矿柱布置排数，为7；N为单排矿柱个数，为8；Ap为矿柱横截面积，为16 m2；s为矿块矿房倾向斜长，为100.5 m。

计算得矿柱平均应力为15.32 MPa。

矿柱强度：

式中：W为矿柱宽度，为4 m；H为矿柱高度，矿柱高度最大为3.4 m。

安全系数：

经计算矿柱安全系数为1.83。

综上理论计算，采矿方法中推荐的采场结构参数是可行的，但是上述计算是基于较理想状态，实际生产中影响因素复杂多变，矿山进行试生产时需要进行采矿方法试验以验证采场参数的可行性，并且在生产期间需根据顶板稳定情况调整矿块结构参数。在生产实际中，矿柱尺寸是一个非常重要的参数，如果矿柱尺寸过大，回采率就会降低，浪费资源；矿柱尺寸较小，则会影响采矿作业安全，带来生产安全隐患。因此，需进一步加强采场结构参数优化研究工作。

3 回采工艺

上层矿矿块内回采是从切割巷道中央向两端、沿切割上山从上往下退采，并按设计要求结合矿房具体地质情况留设间柱和点柱。即从切割上山端部向两端切割一条水平巷道，在水平巷道端部切割出回风口，待矿房形成顺畅的通风回路时从切割上山端部间隔12 m左右拉新一水平切割槽进行回采，在回采过程中间隔12 m左右拉下一水平的切割槽，依次进行，完成矿房回采。在回采过程中，沿走向间隔8 m、沿倾向间隔8 m，留下4 m×4 m的规则矿柱，在矿块四周留有连续的间柱和顶底柱，以利采场通风和顶板管理。

下层矿回采将矿块分成5 m矿的矿柱和7 m宽的矿房，条带式开采。先采矿柱，待矿柱空区充填结束并达到强度要求后对矿房进行回采，矿房回采结束后进行废石充填；在矿块四周留有连续的间柱，确保下层矿的安全回采。

1.凿岩：采用凿岩台车凿岩，每次回采步距2.5～3.0 m。

2.爆破：炸药采用2＃岩石乳化炸药，非电导爆系统起爆。爆破后需加强通风，以尽快排出爆破炮烟。

3.撬毛：爆破通风后即进行撬毛作业。

4.出矿：对于厚度大于2.5 m的矿体，坑内卡车进切割上山由3 m3的电动铲运机装矿；对于厚度小于2.5 m的矿体，坑内卡车不进采场，采场内矿石由2 m3的电动铲运机搬运到集中装载点，然后由扒渣机装载。

5.采场通风：利用中段运输巷道进风，新鲜风流经切割上山流向两侧采矿工作面，在工作面布置局扇加强通风，冲刷采场后的污浊风流经采场回风口进入上一水平分段巷道，通过回风井排出地表。

4 回采安全措施

4.1 通风安全措施

坑内所有机电硐室供给新鲜风流，采用贯穿风流对采场进行通风；在通风不良的采场或者掘进工作面需安装局扇进行辅助通风；独头工作面有人作业时，局扇连续运转。

4.2 防排水安全措施

在掘进工作面或其它地点发现有透水预兆时，必须立即停止工作，及时报告并采取相应措施。情况紧急时必须立即发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员。

4.3 防尘措施

采掘工作面凿岩采用湿式凿岩，装矿工作面采用喷雾洒水，以降低粉尘浓度。

4.4 爆破安全措施

有冒顶危险、工作面支护损坏、通道不安全或通道阻塞、工作面有涌水危险、危及设备或构筑物安全而无有效防护措施、危险边界未设警戒、光线不足或无照明等情况下禁止进行爆破作业；装药、堵塞、警戒、爆破后的安全检查以及盲炮处理等工作必须遵守《爆破安全规程》规定。严禁在残眼上打孔。

进行二次破碎时，必须设置警戒标志。在确认爆破危险区无人的情况下，方准起爆；在爆炸危险场所必须使用符合国家标准规定的防火、防爆型电气设备，其它电气设备设置过载、过电流、短路、漏电等电气保护装置。

4.5 开采过程安全措施

矿山开采过程中须遵循一定的开采顺序：沿矿体走向400～600 m划分一个盘区，盘区高度即为中段高度，中段内由两翼往中间退采，盘区内由上往下开采；先采上层矿再采下层矿，上层矿超前下层矿开采。生产中根据顶板稳定情况及时优化和调整采场结构参数，采用合理的回采工艺。在矿石回采的同时，按设计的作业顺序，对上层矿进行采空区废石和尾砂充填，对下层矿进行胶结和尾砂充填。

生产时采场、进路等作业面必须有良好的照明。报废的巷道和硐室的入口，需及时封闭。封闭之前，入口处需设有明显标志，禁止人员入内。

4.6 顶板管理安全措施

矿山生产中必须建立顶板管理制度，并有专人负责检查顶板的安全状况。设计矿块回采期间，每次爆破后、下一班上班前应敲帮问顶，处理浮石。对于不稳定空区顶板进行锚杆挂网护顶支护，以维护顶板的稳定性，锚杆采用砂浆锚杆，直径Φ20 mm，长度2 m，间排距分别为800 mm、1 000 mm，菱形布置，参数可根据实际情况调整。同时采用便携式声波监测仪对采场顶板实施监测，确保采场作业人员的安全。由于矿区两层矿平均相距8.5 m左右，需格外注意下层矿（即Ph1矿层）回采时顶板的安全管理工作，矿房回采结束后充填采空区。同时对于下层矿矿柱的留设需进行放线测量，尽可能保证下层矿矿柱的平面位置和上层矿留设矿柱平面位置重叠，以改善下层矿矿柱的受力状态，保证回采工作面顶板的安全。

4.7 出矿安全措施

铲装作业时，应在采场指定区域内进行，并严禁非工作人员进入。禁止用铲斗或站在铲斗内处理浮石，不得用铲斗破碎大块。车箱装载不应过满，作业人员操作时操作位置上应有防护板。

同时还应满足以下要求：

1.铲运机驾驶员必须经专门培训考试合格并取得“特种作业操作证”后方可上岗作业，司机不得将车交给无证人员驾驶，未经批准不得驶离作业区。

2.开车前，认真检查车辆各部位是否运行正常，发现故障应立即排除。

3.铲装作业前，要清理道路上的石块和其它障碍物，检查作业点通风是否良好，顶板及两帮是否有浮石，驾驶员防护棚是否安全可靠等，以确保铲装作业的安全，柴油铲运机在作业过程中必须开动局扇进行局部通风。

4.当距铲运机2 m之内有人作业时，不准进行铲装和卸载作业；人员进入铲运机运行范围内进行检查和作业，必须以灯光或其它警示信号通知铲运机驾驶员，驾驶员发现警示信号后，立即停车。

5.铲装作业时，铲斗装载不得过满，防止运输时洒落矿（岩）石；往坑内卡车装矿时，要低速进入装载区，并保证装载区上部有足够的空间，注意照明、电线以及管路等设施不受破坏。

6.其它安全措施。矿区内断层发育，对地下开采作业影响较大。基建生产过程中应通过基建生产探矿进一步加强对区内断层控制和研究，巷道通过断层发育地段时应采用超前钻探，提前探明断层的规模、富水性或导水性，同时加强巷道支护，必要时应采用超前支护。

7.专用安全设施。采矿方法和采场的专用安全设施见表1。

表1 采矿方法和采场的专用安全设施表

5 新采空区处理

因采用普通房柱法采矿，开采一段时间后会留下采空区，采空区处理工作极为重要，一般情况下采取如下安全措施：

1.矿块回采过程中，保留规则的点柱和连续间柱，达到临时支护顶板的目的，以保证作业安全。生产期间，需根据顶板稳定情况优化矿块结构参数。

2.设计对上层矿采空区进行废石和尾砂充填，对下层矿采空区采取胶结和废石充填相结合的方式保障回采安全。

3.根据安监总局［2010］168号文要求“存在大面积采空区、工程地质复杂、有严重地压活动的地下矿山，应实现对采空区稳定性、顶板压力、位移变化等的动态监控”，主要包括顶、底板围岩及矿柱应力随时间的变化监测、采空区顶底板围岩应力变化监测。设计选用光应力计、钢铉式压力盒配频率仪进行监测，按间距100 m，在各中段探矿穿脉巷中、矿体上下盘各布置一组测量仪表进行监测。当监测系统发出预警信息时，所有人员应立即撤出采空区，待采取相关安全处理措施确保安全后再恢复作业。

6 结 语

对采场稳定性进行分析，经过理论计算，得到采矿方法中推荐的采场结构参数是可行的。进行了回采安全设施的设计，包括通风、防排水、防尘、爆破安全措施、开采过程安全措施、顶板管理安全措施、出矿设备安全措施等，为类似矿山生产安全提供参考。