自然崩落法矿体崩落状态的监测.docx

张锋(中条山有色金属公司铜矿峪铜矿)摘 要 铜矿峪铜矿在自然崩落法采场中 ,建立了一整套简便易行的矿体崩落状态监测系统 。应用多种方法对矿体自然崩落过程和地表塌陷过程进行监测 ,较准确地掌握了矿体的自然崩落规律 ,利用 监测资料可以有效地指导现场生产 。关键词 自然崩落法 崩落状态 监测系统 岩层移动 地表塌陷mon itoring f or orebody caving state by block caving methodzhang feng( tongk u an gy u cop per m i ne of zhon gt i aos han n onf er rous m et al co . )abstract to nkuangyu copper mine set s up a set of simple and co nvenient mo nitoring system of orebodycaving state in t he mine stope to use block caving met hod. the nat ural caving p rocess of orebody and subsiding p rocess of ground surface are mo nitored by various met hod , t he nat ural caving regular of orebody is mastered accurately ,and t he field p roductio n can be guided effectively using t hese mo nitoring data .key words block caving met hod ,caving state ,mo nitoring system , movement of rock formatio n , subsid2ing of ground surface自然崩落法是一种大规模和低成本的采矿方法 ,与其它采矿方法不同 ,该法无法进行分层 凿岩和分步骤的爆破使矿体崩落 ,仅依靠采场底部的拉底空间使矿体自然崩落 。掌握矿体自 然崩落规律 ,了解其崩落状态 ,对于指导矿山生 产有较大的实用价值 。铜矿峪铜矿全面地引进了自然崩落法采矿 工艺 ,810 m 中段 5 号矿体自然崩落法采场阶段高度为 120 m ,水平面积为 1013 万 m2 ,可采 矿石储量为 2 600 万 t ,采场年设计能力为 340 万 t 。在中南工业大学和长沙矿山研究院的协 作下 ,建立了一套简便易行 、准确可靠的崩落状 态监测系统 ,用于崩落规律研究和指导生产 。1 井下崩落状态监测930 m 水平已废弃的部分运输道和 870 m水平的 5157 探矿巷道及部分地质品位钻孔 ,分别从不同标高和不同部位穿过 810 m 中段自然 崩落法采场上部矿柱 ,为观察崩落发展提供了便利的通道和条件 。为了观察崩落沿矿体底板 的发展速度 , 以便掌握恰当的 副 层 拉 底 时 机 。 我们分别在 833 m 水平 、853 m 水平副层电耙 道 ,向主层采矿边界设计了部分观察巷道 ,建立 了首采区崩落状态监测系统 。井下监测系统见图 1 ,图 2 。111钻孔监测 确定崩落高度一个常用方法就是测量穿过崩落矿体的地质钻孔深度 。在 930 m 水平已施 工的一些地质钻孔中 ,其中有与采区相交的垂张 锋 ,中 条 山 有 色 金 属 公 司 铜 矿 峪 铜 矿 技 术 科 , 工 程 师 ,043700 山西省垣曲县 。9 自然崩落法矿体崩落状态的监测总第 255 期金属矿山1997 年第 9 期直钻孔 ,可以用来测量拉底水平上面的成拱高度 、矿堆高度及中间的空间大小等 。 目前国外矿山用于崩落监测所采用的超声波探测仪 、钻孔电视 、时域测试仪 、埋设标志块 、 钻孔注水等方法 ,各有局限性 ,或价格昂贵或准确性差 。为此 ,我们采用和研制了触须探测仪 和断路电缆两种监测仪器用于崩落监测 。崩落高度和崩落空间的高度 。触须探测仪结构简单 、适用范围广 、准确可 靠 。但是这种监测方法要求钻 孔 一 直 畅 通 无 阻 。然而当矿体开始崩落时 ,崩落应力往往会 使一定范围内的岩层发生移动 ,使一部分观测钻孔过早地发生变形和堵塞 。另外 ,由于这种 方法无法做到遥测 ,当矿体崩落向观测水平逼 近时 ,因无安全保障而不能继续监测 ,在一定程 度上影响到崩落资料的完整性 。11112 断路电缆崩落监测断路电缆是为铜矿峪铜矿矿体崩落监测专 门研制的一种线型电阻材料 。在拉底崩落之前 将断路电缆用水泥砂浆胶结于观测部位的钻孔 之中 ,随着矿岩不断崩落而逐段断落 ,引起电阻 值变化 。用仪器量测这种变化 ,可计算出钻孔内电缆的剩余长度 ,从而可知崩落的高度 。自 制的断路电缆结构简单 、价格低廉 、监测方便 、 使用安全 。埋设后不需要维护钻孔 ,还可用导 线引到岩移范围之外集中监测 。但是利用断路 电缆无法测得崩落空间的高度 。在同一测区触须探测仪和断路电缆配合使 用可获得较为完整的崩落资料 ,前者用于岩体 断裂构造不太发育的条件及崩落前期监测 ; 后 者用于不易维护的钻孔和崩落的后期监测 。112 观察巷道和井下岩移观测站的监测在巷道中对 崩 落 活 动 的 监 测 主 要 集 中 在930 m 水平 50 57 穿脉巷道 、870 m 水平 57 穿脉巷道 、副层专用观察巷道和部分底部结构 巷道中进行 。井下岩移观测站布置在 870 m 水 平的 47 ,49 ,57 和 59 观察巷道及割帮巷道中 ,共布置了 8 条观测线 。在 930 m 水平相关部位 沿已有的穿脉巷道放置了 6 条观测线和一组控 制点 。两水平共有测点 200 多个 ,测点间距 25 35 m 。通过对这些点在移动前和移动过程 的重复测量 。计算出其变形值 ,以了解岩层移动和变形规律 。113崩落应力监测 对崩落应力的监测主要集中在拉底巷道和电耙道内 。在 820 m 拉底水平沿走向布置 3 条图 1 井下监测系统平面示意图 2 钻孔监测示意11111触须探测仪钻孔监测 触须探测仪是由主机 、标有刻度的连线和探头组成 。主机由音频放大器 、3 v 直流电源 和耳机组成 。探头则是一个装配有辐射状钢丝 触角的流线型声电传感器 。探测时 ,探头在钻孔中滑行 ,触须与岩壁的摩擦声传至电传感器 产生电讯号 ,由导线传至接收器 。当探头下放 深度超过钻孔进入崩落空间时 ,因触须无所触 及而声音消失 ;再把探头继续下放 ,当听到探头 撞击下部的岩石声音时 ,表明放到了崩落的矿石堆上 。根据两次下放导线的长度 ,便可得知10 张锋 :自然崩落法矿体崩落状态的监测1997 年第 9 期观测线 ,每条观测线内布置 10 12 个光应力计测点 ,测点间距为 10 m 。当开始拉底 、崩落 持续发展 、崩落接近和到达地表 ,各个主要的崩 落阶段都会在监测光应力计上产生不同的应力 条纹及变化 。在采场范围内的 28 条电耙道中 ,还安装了空心包体三轴应变计 、光应力计 、振弦 式双膜压力盒 、混凝土应变计和收敛计等仪器 , 布置测点 172 个 。底部结构的应力监测系统主 要是为研究底部结构的稳定性而设计的 ,但是 当采场内出现矿柱时使局部的崩落停止 ,残留的矿柱就会将破坏性地压传向其下部的电耙 道 ,使电耙道产生明显的收敛和应力集中现象 。2 矿块崩落区地表监测由于采场上部地表十分复杂 ,铜矿峪铜矿 自然崩落法的地表监测 ,采用电磁波测距仪观测沿矿体走向和倾向上测点的移动情况 ,并用 地面立体摄影测量观测地表塌陷状态 、裂缝范 围 、盆地形状和沉陷体积等 。211地表岩移监测 根据实地情况和已有的地表控制网 ,在地表移动区的外围布设 1 条三等精密光电测距导 线作为首级控制 ,导线点共 5 个 。在首级控制 下 ,按四等光电测距导线精度加密为导线网 ,加 密点共 45 个 , 其中沿矿体倾向 布 设 两 条 观 测 线 ,沿矿体走向布设 1 条观测线 。地表观测点布置见图 3 。以后根据崩落的发展情况及拉底速度 ,定期对观测点进行观测 ,并及时延伸走向观测线和增 设必要的倾向观测线 。除此之外 ,还对地表出 现的张拉裂缝进行观测 、素描 。212 地表沉陷区立体摄影测量根据采矿设计 ,在充分利用测区内为电磁 波测距仪观测地表岩移而设定的一些控制点和 观测点的基础上 ,布设摄影基线 10 条 ,象控点20 多个 。采用东德 p ho yt h eo 119/ 1318 摄 影经纬仪进行摄影 ; 象片量测采用国产 hcz -1 立体坐标量测仪 。将量测的象坐标值输入计 算机后 ,可得出一系列碎部点的三维坐标 ,从而 绘制地形图 。采用立体摄影对人员无法进入的 塌陷危险区 , 进行面积和体积 的 测 量 , 不 但 安 全 、经济而且精确度高 ,易于掌握 。3 主要监测成果及分析图 4 为根据钻孔监测和巷道观察得出的矿 体在垂直方向的崩落过程 。(1) 由于拉底始于结构面比较发育的四类 区 ,从崩落监测得知 :在 1990 年 4 月底 ,当拉底面积达到 3 200 m2 时 ,矿体发生初始崩落 。矿 体发生持续崩落的时间大约在 1990 年 8 月 ,发 生持续崩落时的拉底面积大约是 5 100 m2 。受 几条陡倾角断层的影响 ,首采区的崩落呈桶形 迅速发展 。在开始拉底约 8 个月后 ,当拉底面积达到 4 600 m2 时 ,崩落向上发展到达距拉底 水平 50 m 的 870 m 水平 ,该水平 57 穿脉观察 巷道被切断 。通过该巷道向崩落区观察 ,原始 的崩落块度大多呈板状和条状 ,粗略目测在二 类岩石质量区 ( 结构面较不发育) , 2 m 以上的大块约占到采场崩落矿石量的 30 %左右 。大 量出矿约 8 个月后 ,870 m 水平的崩落边界已 扩张到 57 穿脉巷道与顶板割帮巷道的交叉处 , 观察道的端部和未爆破的割帮巷道被碎石所 盖 。除在底板主层和副层边界由于拉底质量不好 ,遗留的残柱影响了矿体正常崩落留下岩墙 外 。首采区的东部边界矿体的崩落角在 870 水 平以下 ,几乎以 90左右向上发展 ,没有稳定拱 形成 的 迹 象 。又 过 了 6 个 月 , 岩 层 崩 落 穿 过11 图 3 地表观测点平面布置观测线埋设后 ,对所有观测点在下部采场 拉底前进行全面观测 ,以确定各点的初始数据 ,总第 255 期金属矿山1997 年第 9 期930 m 水平 ,最终到达地表 ,这时的拉底面积扩大到了 8 600 m2 。区岩体中节理 、裂隙增长了近 1 倍 ,底板三 、四类区岩体中则增加了约 115 倍 ,许多断续节理 在一段时间后贯通或相互切割 ,且节理开度明 显增大 。(4 ) 对 870 m 水平测点的定期观测 可 看 出 ,矿块内某点的下沉是从拉底推进经过该点 下方后开始的 ,随后测点产生连续的 、缓慢的 、 均匀的下沉 。当下沉量达到某一临界值 ,下沉 速度将急剧增大 ,然后在该点处产生崩落 。在 崩落应力场的作用下 ,裂隙产生扩展和张开 ,使测点的下沉量将超过常规弹性有限元计算值的 许多倍 。如果说某点下沉过程出现停顿 ,或下 沉值大体相当于常规弹性变形的数量级 ,则这 一过程不是正常的崩落过程 ,或者不会产生崩 落 ,或者由于弹性能的积聚 ,会产生大面积整体垮落 。经观测可知 , 870 m 水平崩落区中央部 分的 测 点 , 在 崩 落 之 前 其 下 沉 速 度 从 0107 mm/ d 增加 到 014 mm/ d , 崩 落 前 的 下 沉 值 为12 mm 。(5) 在 810 m 水平初始崩落区 ,地表标高 大约在 950 1 050 m 之间变化 ,首采区 820 m 拉底水 平 之 上 的 整 个 矿 岩 高 度 为 130 230 m ,根据地表最初出现塌陷时其下方电耙道的 出矿量 ,并参照钻孔的测试资料进行计算 ,铜矿 峪铜矿 5 号矿体的崩落率约为 1/ 8 。(6) 陷落区的形状及与开采区所成的角度 是时间和地形的函数 ,在 5 号矿体陷落区最初 出现的张拉裂缝 ,在拉底区以上几乎是成竖直 的 ,然后陷落延伸 ,变成大约 70左右 。当陷落 坑形成时 ,失去了对山顶岩石的支撑 ,与此相邻的一些老崩落区的碎石沿 37 40的滚动面 向陷落坑坍塌 。5 号矿体陷落坑在上山一侧的 岩移角度最终可能达到 45。在陷落区下山一 侧的崩落区倾角 ,随着矿体崩落的发展逐渐变 陡 ,并且当拉底速度加快时角度变小 ,拉底速度减慢 时 角 度 变 大 。在 拉 底 速 度 平 均 为 10 20 m2 / d 时 ,崩落边界倾角基本上保持在 70左 右 。塌陷盆地的体积总小于放出矿岩的原生体(下转第 18 页)图 4 矿体崩落过程示意(2) 当持续的崩落形成后 ,崩落速度的大 小主要取决于放矿速度 。当放 矿 速 度 无 限 制时 ,从矿体发生初始崩落之后开始计算 ,5 号矿 体在三 、四类岩石质量区的最大崩落速度可以 达到 0156 m/ d 左右 。根据铜矿峪铜矿的岩体状况 ,选用 0123 013 m 的日平均放矿速度较 为适宜 。从 r 20 号钻孔的崩落监测情况看 ,其 下部电耙道过量的放矿 ,使崩落在其顶部小范 围内的发展过快 ,当覆盖围岩开始崩落和地表塌陷后 ,无限制的放矿引起管状效应 ,使废石过早进入 ,在主层和副层之间插入一条废石带 ,引 起邻近耙道的大量贫化 。这一点可以从 853 m副层和 5701 号和 5702 号电耙道的放矿点过早 地发现地表黄土 、树根得以证实 。(3) 受拉底和应力变化的影响 , 采场的崩 落以一定的周期间歇性发生 。当拉底范围超过持续崩落面积后 ,崩落活跃期 1 2 个月会发 生一次 ,每次持续时间约 20 d 。在观察巷道中对部分区域的节理 、裂隙的定期观察和记录可 以看出 ,崩落以一定周期的间歇性发生 ,和二次应力作用下节理的扩展和贯通的时间有关 。以870 m 水平 57 巷道为例 , 在距崩落边界 10 15 m 处经过一定时间的应力作用后 ,顶板二类12 总第 255 期金属矿山1997 年第 9 期数值计算方法对金山店铁矿岩体的崩落性进行了研 究8 , 除 了 得 到 某 些 与 上 述 相 近 的 结 论 外 ,还得到如下结论 :崩落轴线有与结构面倾向 一致的趋势 ,如果主要节理面与矿体倾向相同 , 崩落轴线就偏向上盘 ;节理倾角越缓 ,崩落速度越快 。bo undary weakening o n cavabilit y , trans. of t he societ y ofmining engineers of a im e ,1976 ,260 ( 1) :6 23krst ulovic g. influence of tecto nic st resses o n t he caving p ro2 cess2mining by block caving met ho ds. 4t h int . co ng. o n rock mechanics ,mo nt reux ,1979 ,1 :459 466zhang s ,et al . influence of block bo undary weakening o n t he caving p rocess. mining science and technology , 1991 , 13 :157 166zhang s ,et al . influence of irregular bo undary weakening o n t he block caving p rocess. int . j . rock mech . min . sci . & ge2 o mech . abst r ,1995 ,32 ( 2) :135 142徐腊明 1 自然崩落法拉底上部矿体应力分布有限元分析 1金属矿山 ,1996 ( 2) :11 15郑永学 ,等 1 自然崩落法崩落机制的研究 1 有色金属 ( 矿 山部分) ,1989 ( 2) :3 8(收稿日期 1997 - 04 - 08)45参 考 文 献61 woo druff s d. rock mechanics of block caving operatio ns.int . symp . o n mining research ,1962 ,2 :5095202 panek l a. geotechnical facto rs in undercut2cave mining. u n2dergro und mining met ho ds handboo k , a im e , new yo r k ,1982 ,1456 14653 mahtab m a , et al . influence of rock f rac