石灰?guī)r礦安全高效坑采技術(shù)探索

緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了1篇石灰?guī)r礦安全高效坑采技術(shù)探索，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！

1石灰?guī)r礦的開采情況

1．1礦區(qū)與礦床地質(zhì)

某礦區(qū)出露的地層為第四系沖洪積層，主要分布范圍在礦區(qū)中部盆地，為含礫砂的黏土層。該礦區(qū)的整體構(gòu)造相對(duì)比較簡單，為對(duì)坑尾背斜，位于礦區(qū)中部，延伸幅度約為1．0km，兩翼地層以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)頁巖為主。礦區(qū)有兩條斷裂，一條為北東向，出露于西部，貫穿礦區(qū)，斷距在400m以上，另一條為北西向斷裂，出露于中部稱子岌一帶，構(gòu)造破碎帶的厚度在5．0m以上，巖漿巖并未出露于地表。該礦區(qū)的礦床賦存于碳酸鹽巖地層當(dāng)中，產(chǎn)狀與地層構(gòu)造相同。方解石是礦石的主要成分，在部分礦石中發(fā)現(xiàn)鉛、鋅及鐵礦脈，對(duì)礦體范圍內(nèi)的石灰?guī)r做化學(xué)分析后得出結(jié)果為:礦石的化學(xué)成分為CaO和MgO，含少量Al2O3和SiO，其中CaO的含量最高為55．11%，MgO的含量最高為7．99%。

1．2開采技術(shù)條件

本礦區(qū)的地貌為低山丘陵，最低與最高標(biāo)高相差175m左右，地表水主要來自于西北邊緣的水庫，礦區(qū)內(nèi)有并不明顯的地表徑流。石灰?guī)r礦床的賦存標(biāo)高為22．5～105．64m，埋深在0～143．95m，西部地勢(shì)高、東部地勢(shì)低，適宜井下開采。石灰?guī)r礦層雖然堅(jiān)硬致密，但裂隙較為發(fā)育，在不采用任何支護(hù)方式的前提條件下開采時(shí)，需要嚴(yán)格控制采掘作業(yè)面的尺寸，頂板的高度要適中，跨度不宜過寬，并留設(shè)數(shù)量充足的保安柱，從而確保作業(yè)面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和開采的安全性。石灰?guī)r井下開采利用斜坡道與豎井，水平留設(shè)厚度20m以上的頂柱。

1．3開采現(xiàn)狀

1．3．1開采方法

礦區(qū)目前采用淺孔爆破，鑿巖爆破設(shè)備為國外進(jìn)口，一次性爆破的分層高度為2．5m，底盤最小抵抗線為2．0m，楔形掏槽，梅花形布孔，孔深為2．5m，超深0m，炸藥的單位耗量為0．33kg/m3，填塞長度為1．0m［1］。爆破后進(jìn)行采場通風(fēng)，新風(fēng)均經(jīng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場，污風(fēng)從回風(fēng)平巷進(jìn)入主回風(fēng)巷后，排出地表。

1．3．2存在的問題

目前，礦區(qū)對(duì)石灰?guī)r坑礦采用的開采方法雖然可行，但卻無法達(dá)到安全高效的坑采要求，根本原因如下:由于采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置存在不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致分層回采的高度不足，預(yù)留的頂板厚度不達(dá)標(biāo)，造成礦石采出量少、回采效率低的問題;爆破方式為淺孔爆破，頂板長期暴露，作業(yè)強(qiáng)度高、安全性低，單次爆破量比較少，無法滿足產(chǎn)量需要。

2石灰?guī)r礦安全高效坑采技術(shù)

石灰?guī)r礦安全、高效坑采的重要前提是采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，實(shí)踐表明，采樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)不但與生產(chǎn)安全性密切相關(guān)，而且還會(huì)影響回采率。基于此，為實(shí)現(xiàn)安全、高效的坑采目標(biāo)，應(yīng)對(duì)石灰?guī)r坑礦的頂板及礦柱破壞機(jī)制進(jìn)行全面分析，據(jù)此得出合理的頂板與頂柱厚度，為采樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。

2．1結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2．1．1數(shù)值模擬

1)在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的過程中，需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，可以選用的方法較多，經(jīng)過比較后，最終決定采用AN-SYS有限元分析軟件和FLAC3D數(shù)值分析軟件，開展數(shù)值模擬。ANSYS軟件在模型構(gòu)建方面效果的較高，而FLAC3D軟件在求解方面采用顯式法，不需要存儲(chǔ)矩陣，不但減少了模擬時(shí)間，而且可以模擬振動(dòng)、變形等復(fù)雜過程，模擬效率顯著提升，兩款軟件的結(jié)合為數(shù)值模擬的有序開展提供技術(shù)支撐［2］。2)影響采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素可以歸納為:采場的跨度、間柱的寬度、頂柱的厚度等。采場的跨度取值分別為12、15、18m，與之相對(duì)應(yīng)的頂柱厚度依次為9、11、13m，間柱寬度取13m和16m。本礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，加之采樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素較多，為便于模型的構(gòu)建及數(shù)值模擬，做出以下假設(shè):假設(shè)斜坡道、運(yùn)輸巷道、聯(lián)絡(luò)道等對(duì)采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響為零;假設(shè)礦體與圍巖為同性連續(xù)介質(zhì);模型中無節(jié)理裂隙及斷層;除重力之外，不考慮其他因素對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，如爆破、地震以及地下水等。為便于數(shù)值模擬，對(duì)開挖模型進(jìn)行簡化，開挖礦房為12個(gè)，其中上分段和下分段各6個(gè)［3］。3)選取坑礦東部的石灰?guī)r礦床作為模擬開采對(duì)象，試驗(yàn)采樣地處東礦區(qū)，模型的長寬均為設(shè)定為400m，高度設(shè)為300m，表土層的厚度取20m。在計(jì)算采場結(jié)構(gòu)數(shù)值時(shí)，巖石的力學(xué)參數(shù)由當(dāng)?shù)匮芯克峁渲写罄硎目箟汉涂估瓘?qiáng)度分別為95．2MPa和8．4MPa，灰?guī)r的抗壓和抗拉強(qiáng)度分別為119．2MPa和10．4MPa。采場數(shù)值模擬要充分反映開采后圍巖的變形破壞狀態(tài)，對(duì)此，可以采用不同的精度劃分網(wǎng)格，借此提升數(shù)值模擬的總體精度。本次研究中，對(duì)采場進(jìn)行4精度劃分，礦體與表土均采用20精度劃分，劃分方法選用的是漸變法，越接近重點(diǎn)網(wǎng)格越密。

2．1．2模擬結(jié)果

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬利用FLAC3D軟件完成，經(jīng)模擬得到應(yīng)力、位移、安全率、塑性區(qū)等信息。通過對(duì)比分析確定處置最佳的方案。1)由應(yīng)力模擬結(jié)果可知，礦體開挖的過程中，使巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，受到二次應(yīng)力場的作用，采空區(qū)頂板的中央位置處形成等值應(yīng)力跡線拱，拱徑越往上越大，而出現(xiàn)在頂板中央的拉應(yīng)力會(huì)隨著拱徑增大而逐步減小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力后，會(huì)隨著拱徑增大而增大，此時(shí)采場頂中央會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)區(qū)域，包括拉應(yīng)力區(qū)、卸載區(qū)、壓縮區(qū)以及支撐壓力區(qū)等。與頂板下表面最為接近的拉應(yīng)力區(qū)，決定了頂板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)V房的跨度增加后，分布深度會(huì)隨之加深，拉應(yīng)力最大會(huì)出現(xiàn)在頂板的跨度中心。對(duì)礦體開挖后，礦柱變?yōu)槭芰顟B(tài)，由巖體破壞機(jī)制可知，礦柱中容易出現(xiàn)剪切破壞的位置在中間，而在影響采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的諸多因素中，剪切破壞是主要因素。經(jīng)過應(yīng)力對(duì)比分析后得出結(jié)果:采場跨度為15m，間柱寬度為13m，頂柱厚度為11m時(shí)，頂板的安全系數(shù)最高［4］。2)當(dāng)?shù)V體開挖后，應(yīng)力平衡會(huì)被打破，在應(yīng)力的擠壓作用下，采場頂?shù)装鍟?huì)向采空區(qū)產(chǎn)生變形位移。礦柱、邊幫上的水平位移最大，頂?shù)装宓呢Q直位移最大，經(jīng)過位移對(duì)比分析得出結(jié)果:采場跨度增大，頂板的下沉呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，跨度達(dá)到一定后，頂?shù)装宓奈灰茣?huì)隨礦柱尺寸增加而減小，但幅度并不明顯，采場跨度為15m，間柱寬度為13m，頂柱厚度為11m時(shí)，回采效率較高，采切工程量小。3)安全率可以用極限應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的比值表示。本礦區(qū)中，采場頂板巖體的極限拉應(yīng)力為1．3MPa，當(dāng)僅對(duì)上分段的石灰?guī)r礦床進(jìn)行開采，采場跨度為15m，間柱寬度為13m，頂柱厚度為11m時(shí)，安全率為2．06，上下分段全部開采完畢后的安全率為1．72，滿足要求。綜上，通過模擬分析得出最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即礦房、間柱和頂柱分別為15、13、11m，在該參數(shù)下，頂板安全系數(shù)高、采切工程量小、回采率高、安全率高［5］。

2．2回采爆破

礦區(qū)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，原本的回采工藝將無法與之很好的匹配，在這一前提下，為實(shí)現(xiàn)安全高效的坑采目標(biāo)，要以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為依托，對(duì)鑿巖爆破參數(shù)加以調(diào)整。采場結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，使采高從12m增至18m，若是仍然采用淺孔爆破的方式，會(huì)導(dǎo)致效率下降，隨著空?qǐng)霰┞稌r(shí)間的延長，造成安全性降低，無軌設(shè)備作用無法得到全面發(fā)揮。因此，在研究后決定采用中深孔爆破方式，提高爆破效率。

2．2．1爆破參數(shù)

本礦區(qū)對(duì)石灰?guī)r坑礦開采時(shí)，采用液壓潛孔鉆機(jī)，按照超深為0．8m計(jì)算，得出孔深為10．8m。在中深孔爆破中，底盤抵抗線是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與爆堆形狀、爆破效果密切相關(guān)，抵抗線的大小與炮孔直徑及臺(tái)階高度有關(guān)。抵抗線過小會(huì)導(dǎo)致炸藥浪費(fèi)，生產(chǎn)安全性也會(huì)隨之降低，而抵抗線過大，爆破效果較差，所以要結(jié)合實(shí)際對(duì)底盤抵抗線合理確定，經(jīng)計(jì)算最佳的底盤抵抗線為2．8m［6］。

2．2．2裝藥結(jié)構(gòu)

石灰?guī)r坑采爆破中，主炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥，先向孔底裝入3條1．5kg的藥卷，隨后裝入起爆藥包。使用導(dǎo)爆索對(duì)預(yù)裂炮孔進(jìn)行連接，沿縱軸線將藥卷剖開后，捆綁在導(dǎo)爆索上，裝藥結(jié)構(gòu)為間隔裝藥，單個(gè)預(yù)裂炮孔的裝藥量控制在8～12kg。

2．2．3起爆順序

為提高爆破效果，減少飛石危害，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，經(jīng)研究后，決定采用兩排孔微差爆破，間隔時(shí)間為25～50ms。選擇非電起爆網(wǎng)絡(luò)，在炮孔內(nèi)裝入導(dǎo)爆雷管加強(qiáng)藥包，導(dǎo)爆索與組合雷管連接部位用黑膠布纏繞5層以上，采用孔底起爆的方式。

2．3坑采現(xiàn)場試驗(yàn)

2．3．1試驗(yàn)礦塊

在本次試驗(yàn)中，沿著勘探線布設(shè)試驗(yàn)礦塊，數(shù)量為3個(gè)，每間隔28m劃分1個(gè)，礦塊分為三個(gè)部分，即跨度為15m的礦房、13m的礦柱與11m的頂柱。開采過程為不充填，在礦房內(nèi)留設(shè)連續(xù)的礦柱，分二層對(duì)礦房進(jìn)行回采，先采上分層(高度為8m)，再采下分層(高度為10m)［7］。

2．3．2切割

試驗(yàn)選擇的礦塊為正常生產(chǎn)，回采上分層時(shí)，在礦塊上分層沿長軸方向拉通，對(duì)頂巷道預(yù)切，一端與運(yùn)輸巷連通，另一端與回風(fēng)巷連通，以此形成運(yùn)輸、通風(fēng)、安全出口通道。通過擴(kuò)幫形成切頂空間，完成上分層回采;在對(duì)下分層回采前，先從斜坡道0m標(biāo)高掘進(jìn)運(yùn)輸巷，隨后掘進(jìn)裝礦橫巷，與礦房進(jìn)行連通，從而形成下分層的運(yùn)輸、通風(fēng)、安全出口通道;在礦房端部，切割高度為10m的天井，拉開天井形成切割槽，作為中深孔爆破的補(bǔ)償空間。

2．3．3爆破

為達(dá)到預(yù)期的爆破效果，并確保礦柱與頂板的結(jié)構(gòu)安全性，采用預(yù)裂爆破和微差爆破，炸藥選用乳化炸藥，炮孔呈三角形布設(shè)，共2排孔，靠近礦柱的兩側(cè)為預(yù)裂孔，裝藥量小于主炮孔。由現(xiàn)場爆破結(jié)果可知，3#試驗(yàn)采場的爆破效果最佳，具體的爆破參數(shù)為:炮孔深度為10．8m，孔徑79mm，底盤抵抗線2．8m，填塞長度2．0m，超深0．8m［8］。

2．3．4通風(fēng)

本次試驗(yàn)中，采場采用貫穿流通風(fēng)，新風(fēng)從斜坡道進(jìn)入后，經(jīng)運(yùn)輸?shù)馈⒙?lián)絡(luò)道后進(jìn)入采場。開采作業(yè)面清洗后產(chǎn)生的污風(fēng)，從切頂巷道、回風(fēng)巷道匯入回風(fēng)系統(tǒng)后排出地表。采場爆破后用局部風(fēng)扇輔助通風(fēng)，以此快速排煙降塵，提高采場的通風(fēng)效果，保證生產(chǎn)安全性。

2．3．5頂板管理

采場通風(fēng)完成后，安全員可以操作服務(wù)臺(tái)車對(duì)頂幫松動(dòng)的巖石進(jìn)行現(xiàn)場清理，當(dāng)異常破碎的頂板經(jīng)過處理后，無法滿足安全作業(yè)需要時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況，采取合理可行的支護(hù)措施，如錨桿、掛設(shè)金屬網(wǎng)等，為開采安全提供保障。

3結(jié)語

石灰?guī)r作為一種工業(yè)原料，在冶金、建材、化工、輕工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由此使得對(duì)石灰?guī)r的需求量不斷增加。尤其是鋼鐵和水泥工業(yè)的快速發(fā)展，石灰?guī)r的重要性隨之突顯。但從目前的情況看，石灰?guī)r礦的開采效率不高，生產(chǎn)安全性較低，無法滿足安全高效的坑采要求。因此，有必要加大相關(guān)技術(shù)的研究力度，為石灰?guī)r產(chǎn)量的提升提供支撐。

參考文獻(xiàn):

［1］何家寶，汪定圣．皖北露天閉坑礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作實(shí)踐［J］．安徽地質(zhì)，2021，31(1):63－66，70．

［2］唐漢林，李橋．廣西崇左市更隴山石灰?guī)r礦地質(zhì)特征及開發(fā)利用前景［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2021，41(7):21－25，69．

［3］楊澤宇，曹世暉，朱曉青，等．某水泥建材石灰?guī)r礦露天凹陷開采主要環(huán)境地質(zhì)問題研究［J］．福建建材，2019，38(11):1－2，57．

［4］郭祥利．老邱峪地區(qū)熔劑用石灰?guī)r礦層特征及開采技術(shù)條件分析［J］．山東煤炭科技，2018，36(7):183－185，188．

［5］劉明君．內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗范家峁水泥用石灰?guī)r礦地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件［J］．中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2018，21(2):28－31．

［6］宋偉遠(yuǎn)，劉永剛．山東萊蕪區(qū)域北庵莊段小上峪石灰?guī)r礦礦石綜合利用措施［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2017，37(11):83－86．

［7］孫思曉．武安坦嶺村水泥用石灰?guī)r礦床地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件［J］．中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2017，20(2):27－29．

［8］何家文．繁昌上蔣建筑用石灰?guī)r礦地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件［J］．科技視界，2016，6(9):262，293．

作者：許前進(jìn) 單位：中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì)