下告鐵礦懸頂成因分析及預防措施研究

雷 剛 陳詩墨 張 杰

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽621000;2.廣東省河源市紫金縣下告鐵礦，廣東 河源517000)

下告鐵礦位于廣東省紫金縣西南部，礦區地形起伏較大，地形坡度10° ～20°，屬低山丘陵地貌，礦體分布于1 ～8 號勘探線之間，東西長約400 m，平均寬度70 ～110 m，平均品位TFe 27.25% 。由于下告鐵礦礦體厚大、品位較低以及近礦圍巖含有一定鐵品位等特點，為尋求礦山規模效益，從0 m 分段開始由空場法轉為無底柱分段崩落法，礦山設計年生產能力為120 萬t/a。礦山中段高度為60 m，采用豎井加斜坡道開拓方式，包括了－13、－26、－37、－48 和－60 m等分段，垂直礦體走向布置回采進路，從礦體上盤往下盤進行退采，每一分段平均20 條進路。目前礦山正在回采－26、－37、－48 m 等分段。

自從礦山由空場法轉為無底柱崩落法分段法后，懸頂一直是困擾礦山生產的最大難題，2013 年9 月，在－26、－37 m 分段中共有5 條進路幾乎同時出現懸頂事故，使生產發生停怠，為了處理這些懸頂，礦山耗費了大量的人力物力，而且有一些進路懸頂處理之后沒過多久又出現了新的懸頂，并產生了非常多的大塊。起初，礦山管理人員以為是炸藥質量出現了問題，把原生產采用的硝胺炸藥換成了銨油炸藥，但是懸頂依然頻繁發生，更換炸藥之后也沒有從根本上解決問題。為了從本質上搞清下告鐵礦頻繁發生懸頂的原因，我們從設計、裝藥、崩礦、出礦等工序著手，對懸頂的產生進行系統的研究和分析，針對礦山在設計和回采過程中的不規范操作提出了解決措施。

1 懸頂成因分析

通過對現場的調研和分析，下告鐵礦出現懸頂的原因除了礦體本身穩固性差和礦巖接觸帶異常破碎以外。更主要的是設計、回采、放礦等工序操作的不規范性為懸頂的發生埋下隱患。

1.1 設計崩礦排面預留保護層過厚

無底柱分段崩落法崩礦排面的設計與施工質量對礦石回收效果的影響屬于連續性的影響，一旦回采進路中的崩礦排面質量出現問題，不僅將顯著惡化回采時當前排面的礦石回收效果，而且還會顯著影響后續排面及下分段排面的回采［1］。因此，必須高度重視回采進路中崩礦排面的設計與施工，確?；夭赡芘c上分段覆蓋巖層貫通，使得上分段覆蓋巖層能隨著下分段放礦而流暢下移，這是無底柱分段崩落法正?；夭杉叭〉昧己玫V石回收效果的基礎和前提，否則將嚴重影響礦石的正?；厥?。

下告鐵礦采用寬×高為4.0 m×3.8 m 的三心拱形巷道，進路間距16 m，分段高度11 m 左右，崩礦步距為1.4 m，一次性崩落2 排炮孔，邊孔角為48°，以發生懸頂的3706 進路14 號排面為列進行分析研究，3706 進路14 號排面如圖1 所示。

圖1 3706 進路14 號排面設計圖Fig.1 No.14 Plane design of 3706 route

從實驗放礦的結果看，邊孔角對回收結果的影響不大。但是，邊孔角對于爆破效果特別是靠近脊部附近的礦巖爆破效果影響很大［2］。鐵礦石的自然安息角一般在39° ～40°，但是在覆巖下鐵礦石的擠壓安息角(放出角)則在50° ～55°。也就是說，低于擠壓安息角的崩落礦石是很難被順利放出的，崩落礦石得不到有效松散，不僅會影響到本步距的放礦效果，還會由于邊孔的爆破受夾制作用而影響下一步距的爆破效果，出現大塊甚至懸頂等安全隱患。因此，邊孔角不宜過小，如果鑿巖設備能力沒有問題，通?？梢圆捎?5° ～60°的邊孔角。但是，較大的邊孔角也會帶來下分段中間炮孔深度過大的問題，一定程度上會影響到鑿巖效率與炮孔質量。經測算，下告鐵礦礦石的擠壓安息角為55°左右，設計采用48°的邊孔角之后，使得桃形礦柱上部接近實體覆巖的厚度增大，下分段扇形排面頂部的爆破已經是真正意義上的擠壓爆破［3］，設計采用保護層厚度為0.5 m 之后，使得爆破難以貫穿上部覆巖，致使大塊增多，懸頂極易發生，為此應減小保護層厚度，設計為0.2 ～0.3 m 左右。

1.2 切割槽高度不夠

無底柱分段崩落法的切割工作主要是形成形狀、大小以及方位符合扇形炮孔爆破需要的補償空間。由于無底柱分段崩落法在回采空間上的連續性，切割立槽的質量看似只影響幾排炮孔或1 條進路的回采效果，但實質上是影響到幾條進路甚至幾個分段的爆破及回采效果［4］。因此，切割工程的質量需要從設計及施工環節進行控制，為爆破效果以及良好的礦石回收效果墊定基礎。

下告鐵礦采用從礦體上盤往下盤退采的方式進行開采，通過對－26、－37 m 分段調研了解到，切割槽位置沒有避開礦巖接觸等破碎位置，并且設計的切割井高度竟然略低于了分段高度，使得后續排面桃形礦柱的爆破根本沒有補償空間。對于從上盤往下盤退采的進路來講，為了避開上盤礦巖接觸的破碎地帶，每分段的切割槽基本上是開鑿在未崩落的上盤圍巖中，上盤崩礦排面應為矩形排面，如圖2 所示。為保證后續炮孔順利崩落，切割槽(切割井)的高度通常為分段高度的1.5 倍左右，才能形成與后續扇形孔爆破的形態相適應的補償空間。因此，需要改變現行的習慣性非規范設計方法，嚴格按照實際的崩落礦巖層高度布置切割天井并形成切割槽，保證切割井和切割槽有足夠的高度。同時，切割槽的位置應避開上分段的回采巷道、切割平巷等不利位置，確保形成的切割槽有效斷面尺寸和高度滿足后續炮孔爆破的需要。

圖2 上盤矩形崩礦排面Fig.2 Plane diagram of upper rectangle ore caving

1.3 工人裝藥時拔管過快，而且炮孔沒有堵塞

由于部分工人裝藥不熟練和責任心差，裝藥時拔管過快以致炮孔內裝藥密度過低，而且有相當多的炸藥被散落在地上，致使孔內設計裝藥量達不到要求。炮孔沒有堵塞，根據爆破理論，炸藥爆炸產生的爆生氣體瞬間將會充滿炮孔，并且具有很大的壓力和速度，如果炮孔不堵塞或堵塞長度過短，爆生氣體瞬間就會沖出炮孔，出現“沖炮”現象，爆破質量難以保證［5-6］，如果堵塞長度合適，堵塞物就會由于慣性阻力和與炮孔內壁的黏結力以致增加孔內高溫高壓的持續時間，使先前由沖擊波造成的裂隙在高壓氣體的氣楔作用下充分發展，使巖石破碎更充分，而且有效地減少爆破飛石的數量和拋擲距離，降低空氣沖擊波的強度。

1.4 上盤切巖放礦量少

由于下告鐵礦上盤礦體傾角較緩，下盤礦體接近直立等特點，礦山在回采上盤礦體時，采用見到廢石就停止出礦的放礦方式。需要說明的是，對于上盤三角礦體部分，本身的礦量就不多，開采這部分礦體除盡可能回收三角礦體的礦石外，更重要的目的是及時放頂以釋放地壓與補充覆巖，為下面分段相應位置礦段的礦石正?；厥談撛炝己脳l件。為使相鄰進路的回采空間盡可能貫通并使頂板盡快冒落。上盤三角礦體回采出礦的特點是先放出部分礦石然后很快出現廢石，隨著退采的進行，出現廢石的時間逐步推遲。為使后續排面的爆破有足夠的補償空間，上盤排面至少應按其步距崩礦量的30%進行出礦，以避免后續排面出現懸頂、大塊等隱患，同時也將使回采空間充分暴露出來，促使頂板圍巖及時冒落，回采產生的地壓及時釋放。

2 懸頂預防處理措施及實踐效果

2.1 對正回采的進路的懸頂預防措施

隨著礦山從上盤往下盤退采的進行，懸頂現象頻繁發生，部分巷道在處理懸頂之后沒隔多久又發生了懸頂現象，這給礦山生產造成嚴重影響。對懸頂處理后的后續排面爆破情況跟蹤調查我們發現，出礦后期排面頂部出現了相當多的大塊，此原因有可能是孔底裝藥密度過低和頂部爆破自由空間不足造成。由于相當多的回采進路中深孔已經形成，重新大面積地加深中孔或者擴孔都將嚴重影響礦山的生產計劃。那么我們又該如何減少后續排面發生懸頂的問題呢?為了保證后續炮孔爆破的效果，建議礦山每隔6 排炮孔增加1 個加密排，加密排的炮孔個數為一般排面炮孔個數的1.5 倍。當回采至加密排時，同前端排面同時爆破。為避免巷道口附近藥量的過度集中，扇形孔采用交錯裝藥結構形式，對炮孔進行必要的堵塞。所謂的交錯裝藥是將左右兩邊孔的填塞長度確定為1.5 ～2.0 m，其他各孔的填塞長度交錯增減，使各炮孔孔口裝藥位置的間距大于孔底距之半，交錯裝藥結構及起爆順序圖如圖3 所示。同時，為減少爆破震動以及對邊孔角起爆的夾制影響，同一排炮孔采用微差爆破［7］，從排面兩邊往中間依次起爆，采用孔底起爆方式。

圖3 交錯裝藥結構及起爆順序Fig.3 The interleaving charging structure and detonating sequence diagram

2.2 對還未開始切割的進路懸頂的預防措施

由于上盤礦體礦巖交接面較緩，而且在礦巖交界處穩固性差，此處的爆破是在沒有上部松散覆巖，而是實體的情況下進行，切割槽的高度應為分段高度的1.5 倍左右［8］。由于之前的設計中切割立槽的高度遠未達到正常爆破所需高度。導致切割立槽的形狀、面積以及補償空間的大小均不能適應后續步距回采爆破的需要，不僅導致大塊、懸頂、立墻等問題頻繁出現，還因為爆破的夾制性過大導致礦體(巖石)頂板高度不斷下降的現象出現。同時上盤巖石不能及時崩落下來形成覆蓋層，造成上盤地壓不能及時釋放并不斷積聚，地壓活動劇烈，巷道支護困難，最終造成大量礦石不能有效回收，加大了礦石的損失。針對上盤礦巖界面較緩的條件，設計了上盤切割巷布置圖如圖4 所示。

圖4 上盤切割巷布置Fig.4 Upper cutting roadway layout

切割巷避開上盤礦巖交接破碎帶2 m 左右，切割立槽(切割井)的高度達到分段高度的1.5 倍，在上盤回采的前幾個排面中，采出的幾乎全部是廢石，但為使后續排面的爆破有足夠的補償空間，就算放出的全是廢石，也要放出步距崩礦量的30%方可，以避免后續排面出現懸頂、大塊等隱患。對于上盤前幾排回采幾乎是廢石的情況，建議礦山采用分采分運，減少對后續礦石回采的貧化。

2.3 礦山實踐效果

通過認真地分析和總結，礦山生產工藝從設計到施工得到了較好的規范，采切方法得到改進，采切與爆破工程質量得到顯著提高，生產工藝變得更為合理，懸頂及隔墻等隱患明顯減少。自－60 m 水平開始基本上按照實際崩礦形態設計布置炮孔，切割槽的位置有效避開了上盤破碎帶，裝藥工人進行了嚴格的培訓，炮孔進行了堵塞。試驗前整個采區出現大面積懸頂的現象到2014 年6 月基本消除，生產秩序恢復正常，采區產量穩步提升，采出礦石質量顯著提高，生產被動局面得到一定程度扭轉。

3 結 論

懸頂是采用無底柱分段崩落法礦山普遍存在的問題，對于下告鐵礦而言，大面積的懸頂除了因礦體自身穩固性差以外，更主要的是設計和施工沒有根據礦山自身的情況進行合理的布置。切割槽高度不夠、上盤礦體的出礦量沒能達到要求，爆破的夾制性過大等因素導致礦體頂板高度不斷下降，致使后續炮孔爆破補償空間不足。同時設計預留排面保護層過厚，裝藥密度不夠，炮孔沒有堵塞等因素使得頂部礦石難以貫穿上分段覆蓋層，爆破產生大量大塊，為懸頂的產生埋下禍根。礦山通過認真研究和實踐，從設計到施工進行了分析和總結，截止到2014 年6 月，懸頂大面積出現的問題基本得到解決。

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