石灰岩矿安全高效坑采技术探索

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1石灰岩矿的开采情况

1．1矿区与矿床地质

某矿区出露的地层为第四系冲洪积层，主要分布范围在矿区中部盆地，为含砾砂的黏土层。该矿区的整体构造相对比较简单，为对坑尾背斜，位于矿区中部，延伸幅度约为1．0km，两翼地层以泥质粉砂岩和粉砂质页岩为主。矿区有两条断裂，一条为北东向，出露于西部，贯穿矿区，断距在400m以上，另一条为北西向断裂，出露于中部称子岌一带，构造破碎带的厚度在5．0m以上，岩浆岩并未出露于地表。该矿区的矿床赋存于碳酸盐岩地层当中，产状与地层构造相同。方解石是矿石的主要成分，在部分矿石中发现铅、锌及铁矿脉，对矿体范围内的石灰岩做化学分析后得出结果为:矿石的化学成分为CaO和MgO，含少量Al2O3和SiO，其中CaO的含量最高为55．11%，MgO的含量最高为7．99%。

1．2开采技术条件

本矿区的地貌为低山丘陵，最低与最高标高相差175m左右，地表水主要来自于西北边缘的水库，矿区内有并不明显的地表径流。石灰岩矿床的赋存标高为22．5～105．64m，埋深在0～143．95m，西部地势高、东部地势低，适宜井下开采。石灰岩矿层虽然坚硬致密，但裂隙较为发育，在不采用任何支护方式的前提条件下开采时，需要严格控制采掘作业面的尺寸，顶板的高度要适中，跨度不宜过宽，并留设数量充足的保安柱，从而确保作业面结构的稳定性和开采的安全性。石灰岩井下开采利用斜坡道与竖井，水平留设厚度20m以上的顶柱。

1．3开采现状

1．3．1开采方法

矿区目前采用浅孔爆破，凿岩爆破设备为国外进口，一次性爆破的分层高度为2．5m，底盘最小抵抗线为2．0m，楔形掏槽，梅花形布孔，孔深为2．5m，超深0m，炸药的单位耗量为0．33kg/m3，填塞长度为1．0m［1］。爆破后进行采场通风，新风均经联络道进入采场，污风从回风平巷进入主回风巷后，排出地表。

1．3．2存在的问题

目前，矿区对石灰岩坑矿采用的开采方法虽然可行，但却无法达到安全高效的坑采要求，根本原因如下:由于采场的结构参数设置存在不合理的现象，导致分层回采的高度不足，预留的顶板厚度不达标，造成矿石采出量少、回采效率低的问题;爆破方式为浅孔爆破，顶板长期暴露，作业强度高、安全性低，单次爆破量比较少，无法满足产量需要。

2石灰岩矿安全高效坑采技术

石灰岩矿安全、高效坑采的重要前提是采场结构参数的合理性，实践表明，采样的结构参数不但与生产安全性密切相关，而且还会影响回采率。基于此，为实现安全、高效的坑采目标，应对石灰岩坑矿的顶板及矿柱破坏机制进行全面分析，据此得出合理的顶板与顶柱厚度，为采样结构参数的确定提供参考依据。

2．1结构参数优化

2．1．1数值模拟

1)在采场结构参数优化的过程中，需要对相关数据进行模拟，可以选用的方法较多，经过比较后，最终决定采用AN-SYS有限元分析软件和FLAC3D数值分析软件，开展数值模拟。ANSYS软件在模型构建方面效果的较高，而FLAC3D软件在求解方面采用显式法，不需要存储矩阵，不但减少了模拟时间，而且可以模拟振动、变形等复杂过程，模拟效率显著提升，两款软件的结合为数值模拟的有序开展提供技术支撑［2］。2)影响采场结构参数的因素可以归纳为:采场的跨度、间柱的宽度、顶柱的厚度等。采场的跨度取值分别为12、15、18m，与之相对应的顶柱厚度依次为9、11、13m，间柱宽度取13m和16m。本矿区的地质结构相对比较复杂，加之采样结构参数的影响因素较多，为便于模型的构建及数值模拟，做出以下假设:假设斜坡道、运输巷道、联络道等对采场结构稳定性的影响为零;假设矿体与围岩为同性连续介质;模型中无节理裂隙及断层;除重力之外，不考虑其他因素对围岩结构稳定性的影响，如爆破、地震以及地下水等。为便于数值模拟，对开挖模型进行简化，开挖矿房为12个，其中上分段和下分段各6个［3］。3)选取坑矿东部的石灰岩矿床作为模拟开采对象，试验采样地处东矿区，模型的长宽均为设定为400m，高度设为300m，表土层的厚度取20m。在计算采场结构数值时，岩石的力学参数由当地研究所提供，其中大理石的抗压和抗拉强度分别为95．2MPa和8．4MPa，灰岩的抗压和抗拉强度分别为119．2MPa和10．4MPa。采场数值模拟要充分反映开采后围岩的变形破坏状态，对此，可以采用不同的精度划分网格，借此提升数值模拟的总体精度。本次研究中，对采场进行4精度划分，矿体与表土均采用20精度划分，划分方法选用的是渐变法，越接近重点网格越密。

2．1．2模拟结果

采场结构参数的数值模拟利用FLAC3D软件完成，经模拟得到应力、位移、安全率、塑性区等信息。通过对比分析确定处置最佳的方案。1)由应力模拟结果可知，矿体开挖的过程中，使岩体的应力平衡状态遭到破坏，受到二次应力场的作用，采空区顶板的中央位置处形成等值应力迹线拱，拱径越往上越大，而出现在顶板中央的拉应力会随着拱径增大而逐步减小，最终变为压应力。当拉应力变为压应力后，会随着拱径增大而增大，此时采场顶中央会同时出现多个区域，包括拉应力区、卸载区、压缩区以及支撑压力区等。与顶板下表面最为接近的拉应力区，决定了顶板的结构稳定性。当矿房的跨度增加后，分布深度会随之加深，拉应力最大会出现在顶板的跨度中心。对矿体开挖后，矿柱变为受力状态，由岩体破坏机制可知，矿柱中容易出现剪切破坏的位置在中间，而在影响采场结构稳定性的诸多因素中，剪切破坏是主要因素。经过应力对比分析后得出结果:采场跨度为15m，间柱宽度为13m，顶柱厚度为11m时，顶板的安全系数最高［4］。2)当矿体开挖后，应力平衡会被打破，在应力的挤压作用下，采场顶底板会向采空区产生变形位移。矿柱、边帮上的水平位移最大，顶底板的竖直位移最大，经过位移对比分析得出结果:采场跨度增大，顶板的下沉呈现递增趋势，跨度达到一定后，顶底板的位移会随矿柱尺寸增加而减小，但幅度并不明显，采场跨度为15m，间柱宽度为13m，顶柱厚度为11m时，回采效率较高，采切工程量小。3)安全率可以用极限应力状态与实际应力状态的比值表示。本矿区中，采场顶板岩体的极限拉应力为1．3MPa，当仅对上分段的石灰岩矿床进行开采，采场跨度为15m，间柱宽度为13m，顶柱厚度为11m时，安全率为2．06，上下分段全部开采完毕后的安全率为1．72，满足要求。综上，通过模拟分析得出最优的采场结构参数，即矿房、间柱和顶柱分别为15、13、11m，在该参数下，顶板安全系数高、采切工程量小、回采率高、安全率高［5］。

2．2回采爆破

矿区采场结构参数优化后，原本的回采工艺将无法与之很好的匹配，在这一前提下，为实现安全高效的坑采目标，要以优化后的结构参数为依托，对凿岩爆破参数加以调整。采场结构经过优化，使采高从12m增至18m，若是仍然采用浅孔爆破的方式，会导致效率下降，随着空场暴露时间的延长，造成安全性降低，无轨设备作用无法得到全面发挥。因此，在研究后决定采用中深孔爆破方式，提高爆破效率。

2．2．1爆破参数

本矿区对石灰岩坑矿开采时，采用液压潜孔钻机，按照超深为0．8m计算，得出孔深为10．8m。在中深孔爆破中，底盘抵抗线是关键环节，与爆堆形状、爆破效果密切相关，抵抗线的大小与炮孔直径及台阶高度有关。抵抗线过小会导致炸药浪费，生产安全性也会随之降低，而抵抗线过大，爆破效果较差，所以要结合实际对底盘抵抗线合理确定，经计算最佳的底盘抵抗线为2．8m［6］。

2．2．2装药结构

石灰岩坑采爆破中，主炮孔的装药结构为连续装药，先向孔底装入3条1．5kg的药卷，随后装入起爆药包。使用导爆索对预裂炮孔进行连接，沿纵轴线将药卷剖开后，捆绑在导爆索上，装药结构为间隔装药，单个预裂炮孔的装药量控制在8～12kg。

2．2．3起爆顺序

为提高爆破效果，减少飞石危害，结合矿区实际情况，经研究后，决定采用两排孔微差爆破，间隔时间为25～50ms。选择非电起爆网络，在炮孔内装入导爆雷管加强药包，导爆索与组合雷管连接部位用黑胶布缠绕5层以上，采用孔底起爆的方式。

2．3坑采现场试验

2．3．1试验矿块

在本次试验中，沿着勘探线布设试验矿块，数量为3个，每间隔28m划分1个，矿块分为三个部分，即跨度为15m的矿房、13m的矿柱与11m的顶柱。开采过程为不充填，在矿房内留设连续的矿柱，分二层对矿房进行回采，先采上分层(高度为8m)，再采下分层(高度为10m)［7］。

2．3．2切割

试验选择的矿块为正常生产，回采上分层时，在矿块上分层沿长轴方向拉通，对顶巷道预切，一端与运输巷连通，另一端与回风巷连通，以此形成运输、通风、安全出口通道。通过扩帮形成切顶空间，完成上分层回采;在对下分层回采前，先从斜坡道0m标高掘进运输巷，随后掘进装矿横巷，与矿房进行连通，从而形成下分层的运输、通风、安全出口通道;在矿房端部，切割高度为10m的天井，拉开天井形成切割槽，作为中深孔爆破的补偿空间。

2．3．3爆破

为达到预期的爆破效果，并确保矿柱与顶板的结构安全性，采用预裂爆破和微差爆破，炸药选用乳化炸药，炮孔呈三角形布设，共2排孔，靠近矿柱的两侧为预裂孔，装药量小于主炮孔。由现场爆破结果可知，3#试验采场的爆破效果最佳，具体的爆破参数为:炮孔深度为10．8m，孔径79mm，底盘抵抗线2．8m，填塞长度2．0m，超深0．8m［8］。

2．3．4通风

本次试验中，采场采用贯穿流通风，新风从斜坡道进入后，经运输道、联络道后进入采场。开采作业面清洗后产生的污风，从切顶巷道、回风巷道汇入回风系统后排出地表。采场爆破后用局部风扇辅助通风，以此快速排烟降尘，提高采场的通风效果，保证生产安全性。

2．3．5顶板管理

采场通风完成后，安全员可以操作服务台车对顶帮松动的岩石进行现场清理，当异常破碎的顶板经过处理后，无法满足安全作业需要时，应结合现场情况，采取合理可行的支护措施，如锚杆、挂设金属网等，为开采安全提供保障。

3结语

石灰岩作为一种工业原料，在冶金、建材、化工、轻工等领域得到广泛应用，由此使得对石灰岩的需求量不断增加。尤其是钢铁和水泥工业的快速发展，石灰岩的重要性随之突显。但从目前的情况看，石灰岩矿的开采效率不高，生产安全性较低，无法满足安全高效的坑采要求。因此，有必要加大相关技术的研究力度，为石灰岩产量的提升提供支撑。

参考文献:

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［3］杨泽宇，曹世晖，朱晓青，等．某水泥建材石灰岩矿露天凹陷开采主要环境地质问题研究［J］．福建建材，2019，38(11):1－2，57．

［4］郭祥利．老邱峪地区熔剂用石灰岩矿层特征及开采技术条件分析［J］．山东煤炭科技，2018，36(7):183－185，188．

［5］刘明君．内蒙古自治区准格尔旗范家峁水泥用石灰岩矿地质特征及开采技术条件［J］．中国非金属矿工业导刊，2018，21(2):28－31．

［6］宋伟远，刘永刚．山东莱芜区域北庵庄段小上峪石灰岩矿矿石综合利用措施［J］．现代矿业，2017，37(11):83－86．

［7］孙思晓．武安坦岭村水泥用石灰岩矿床地质特征及开采技术条件［J］．中国非金属矿工业导刊，2017，20(2):27－29．

［8］何家文．繁昌上蒋建筑用石灰岩矿地质特征及开采技术条件［J］．科技视界，2016，6(9):262，293．

作者：许前进 单位：中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队