再造构筑“人工矿柱”在采矿环境培训基地设计中的半工业试验

再造构筑“人工矿柱”在采矿环境培训基地设计中的半工业试验

殷耀玺

中海油安全技术服务有限公司 海洋石油培训中心 天津 300457

摘要：体验式实操培训是近几年在国内兴起的高效培训形式,新疆自治区应急厅在国家大背景下准备兴建自治区安全应急实训基地,其中矿山部分要尽量模拟现场实际环境,使学员身临其境,因此,在设计时基于“采矿环境再造连续采矿嗣后充填采矿法”,提出了构筑“人工矿柱”来实现模拟新疆自治区安全应急实训基地地下矿山废石注浆充填采矿技术,并开展了“人工矿柱”半工业试验,根据实际采空区的尺寸按比例缩小在地下模拟巷道内设计了(4m×5m×8m)模拟采空区,包括地表充填料调查(废石粒级分级)、水灰比配比的选择试验、骨料配比试验、静荷载试验、地质雷达测试、声波测试、块体基础震动试验、现场大型直剪试验。通过采矿环境再造构筑“人工矿柱”半工业试验及采用SIR-3000地质雷达、900MHz天线与RS-UT01声波仪对其进行检测,重点分析了地质雷达和声波仪测试结果,并进行对比分析,得到了利用注浆技术构筑人工矿柱技术与工艺具有可行性,能够达到设计要求的结论,为井下进行充填采矿提供了科学依据。

关键词：采矿环境再造；“人工矿柱”；地质雷达测试；声波测试；充填注浆

引言^

在实际开采中矿床充填开采过程中,常用的充填方法有水力充填(全尾砂,尾砂+水泥)、干式充填(废石)等,都必须设计繁杂的充填系统。该系统投资大,工期长,充填设施的维护困难,充填过程中还存在“难接顶”、“充填效率低”、“充填体强度不够”等问题,同时因充填系统的相对固定,增加了许多辅助的充填井、充填孔、滤水井、充填管路,给系统的维护带来了困难,同时,不利于在培训基地中模拟仿真的环境进行培训。采用注浆构筑“人工矿柱”将有效地解决上述“瓶颈”难题,从而,提供一种新的构筑人工矿柱的方法。

注浆技术是用液压、气压和电化学的方法,把某些能很好地与岩土体固结的浆液注入到岩土体的孔隙、裂隙中去,使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体,从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。目前,在国内外矿山中,注浆技术在加固岩体、治理破碎围岩、采矿顶板控制、加固露天矿边坡和井下堵水等方面已经广泛应用并取得了很好的效果^[1-4]。云锡公司老厂分矿竹叶山坑在矿柱回采工程中,进行了注浆加固松散碎石体的工业试验研究,成功解决矿柱回采过程中的矿石贫化问题^[5]。水口山康家湾矿运用注浆加固充填体,向上部尾胶充填体灌注水泥浆,提高充填体强度,保证了矿柱回采安全^[6]。河西金矿采用注浆胶结矿柱充填工艺,不仅降低了充填成本和工人劳动强度,而且提高了充填质量及充填效率^[7]。

由于所构筑的“人工矿柱”具有较高的强度,可以保证采矿环境的稳定性,大大提高了安全性、减缓地表沉降、节约水用量、降低工程造价,同时在实际生产过程中也解决废石堆放和运输等问题。新疆自治区安全应急实训基地模拟矿山开采采用了采矿环境再造注浆构筑“人工矿柱”技术,可以很好的模拟井下环境,使学员身临其境的同时大大降低建设成本。本文介绍了“人工矿柱”相似模型的构筑方法和过程,开展了采矿环境再造构筑“人工矿柱”半工业试验研究,为采用注浆技术构筑人工矿柱和充填采矿设计提供科学依据。

1工程概况

新疆自治区安全应急实训基地模拟多金属矿新山矿段1-26-1矿体10m以上的中厚矿块,设计范围为21~23线,赋存标高1790~1892m,矿块沿走向长245m,倾向长为260m,水平投影面积63700m²,矿体平均厚度21.5m,地质资源量425.3万t。最终确定采用“采矿环境再造连续采矿嗣后充填采矿法”。充填方式初步拟定采用块石胶结充填工艺,即采用注浆工艺来构筑“人工矿柱”,用高强度的“人工矿柱”来保持采场的稳定性及其维护地压。充填料为块石、水泥、砂子,块石主要来源于东瓜林坑渣子坡,其次为坑内掘进废石。具体的矿体采场布置如图1,矿体参数如下表1。

图1 矿块采场布置图

表1 采场结构参数表

2“人工矿柱”的概念

构筑“人工矿柱”的新方法,其包含横向钢管和纵向钢管,横向钢管和纵向钢管由脚手架搭接。在采空区内架设这种钢管骨架,部分钢管兼作注浆管,上面布有注浆孔(

3Φ8)。在特殊部位(如顶柱与围岩接触部位、人工矿柱周边与围岩接触部位)于钢管上附设注浆软管,注浆软管外接输浆胶管,输浆胶管连接注浆泵。在废石松散体中注浆,因为空隙较大,为了控制浆液的扩散距离,在注浆初期采用稠浆灌注,当空隙逐渐被充填而变小后,再采用较稀浆液,使浆液能渗入到更远的区域,并加大注浆压力进行注浆,以利用高压注浆的劈裂作用使“人工矿柱”更加密实,稳定性更加理想。

根据设计的采空区尺寸,按比例缩小设计成(4m×5m×8m)模拟采空区,混凝土盖板、侧板和底板厚度均为20cm。在模拟采空区底部打3~4个的泄水孔,在混凝土顶板下面布置5~6个注浆观察孔,并在泄水孔处铺设防渗膜,防止浆液流出。同时,把模拟采空区的四周用废石围起。地表半工业试验图如图2所示。

图2 半工业试验图

用混凝土浇注一个模拟采空区,对该模拟采空区进行堆石和封顶；用地质雷达和超声仪器对模拟采空区注浆前后进行检测；最后钻芯取样到实验室进行试验测试。其主要目的还在于检验注浆充填体的成型情况、确定注浆充填体物理力学性质、评估注浆的饱满度及浆液的扩散范围等,为工程的可行性奠定了坚实的基础。

3“人工矿柱”半工业试验

3.1试验简介

整个“人工矿柱”半工业试验包括地表充填料调查(废石粒级分级)、水灰比配比的选择试验、骨料配比试验、静荷载试验、地质雷达测试、声波测试、块体基础震动试验、现场大型直剪试验。在“人工矿柱”半工业试验进行之前,进行了水灰比配比的选择试验和骨料配比试验。设计选取三种级别的水灰比和选取渣子坡风化的花岗岩为骨料,注浆制备试块以进行现场试验：按3种不同的浆液水灰比配比分别制作3块1×1×1m试块,配制水灰比分别为0.8:1、1:1和1.2:1的3种浆液,养护7天后进行抗压试验,最大加载5MPa(500t)。

经过实验得到了这样的结果：水灰比为1:1的试块明显表现出了浆液灌注的均匀性。在对相同注浆压力不同浆液配比的注浆效果检验中,采用1:1配比的浆液明显在试验中体现出了较好的易分散,易均匀的特性。综合考虑浆液扩散半径R、注浆充填体承载力和适应性,确定配比1:1是符合矿山实际生产、经济合理的浆液水灰比配比。现场试块图如下图3。

图3 现场的试块图

根据相关理论依据和工程类比,结合上述试验,初步拟定水灰比为1:1配比的浆液进行注浆,设计选定两个骨料配比进行试验,配比分别为：

①大理岩：花岗岩=2.5:1；

②块状大理岩：块状花岗岩：粉状花岗岩=1:1:1。

在影响注浆充填体强度的孔隙率和硬度两个重要指标中,花岗岩都优越于大理岩,但是花岗岩易风化且风化后各项性能都大大下降,因此本项试验选用花岗岩作为骨料来验证最差的骨料能否满足试验要求。用优选配比再制作7块试块(1×1×1m)。同样养护7天后,其中：2块进行抗压试验,5块进行直剪试验,测定注浆充填体的抗压强度、粘聚力和内摩擦角。经过实验所得：充填骨料为花岗岩能满足试验要求。

试验中采用SIR-3000地质雷达、900MHz天线进行检测,然后再用RS-UT01声波仪进行对穿法进行检测,在测试之前须把模拟采空区四壁的细铁丝清理掉,并保证顶面没有积水。在模拟采空区的顶面和外侧周边呈水平测线布置。下图4为试验现场图。

图4 现场试验图

3.2测试原理

采矿环境再造构筑“人工矿柱”半工业试验采用了地质雷达和声波测试,其原理如下：

(1)地质雷达测试法

地质雷达测试是使用探地雷达方法对“人工矿柱”进行测试,探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。其利用天线向地下发射电磁脉冲,并接收由地下不同介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质(如介电常数 ε_r)及几何形态的变化而变化。

根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息,可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。

脉冲波的走时为：

(1)

式中：t —脉冲波走时 (ns)

h —目标深度(m)

x —发射天线与接收天线的距离(m)

v —电磁波波速(m/ns)

常见的介质为非磁介质,在探地雷达的频率范围内,一般有 ,因此介质的电磁波速度为：

(2)

式中：c = 0.3m/ns (光速)

—介质相对介电常数

当发射天线和接收天线相距很近时,探测目标深度的计算公式为：

(3)

雷达数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰波,最大限度地提高雷达剖面的信噪比,提取电磁回波各种有用参数,用来解释不同介质的物理特征。如基于频率不同产生的改善应用于各种反褶积技术,确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变,如偏移处理等。图5是探地雷达数据资料处理的主要流程图。

图5 探地雷达数据资料处理流程图

针对检测技术和任务,首先要了解被测目标结构与围岩是否存在足够的电性差异,即介质之间的介电常数(ε_r)差异越大, 满足ε_r１≠ε_r２≠ε_r３≠…≠ε_rn,则探测的介质界面易于区分,反之则难。对于大多数的介质来说,含水是造成介质的介电常数差异的主要因素之一。介质的介电常数(ε_r)不仅与介质本身的性质有关,而且与介质中含水率n有如下关系：

ε_r=(1-φ)ε_mr+nε_ωr+(φ-n)ε_o (4)

式中ε_mr为介质中相对介电常数,ε_ωr为水的相对介电常数(ε_ωr=81),ε_o为空气相对介电常数(ε_o=1),φ为介质的总孔隙度。

介质中含水率n的较小变化会引起介质ε_r值的较大变化,介质中含水率增加,ε_r值也会增大,而电磁波在介质中的传播速度则会降低。

据波动理论,波速v、波长λ、频率f三者的关系如下：

(5)

(2)声波测试法

超声脉冲法是根据超声脉冲在检测目标体的传播规律与检测目标体有一定关系的原理,通过测定超声波的参数,如传播速度或脉冲衰减值来推断检测目标体的密实度。本次使用的测定方法是采用测定超声速度的方法推断注浆模型注浆饱满度。超声仪器产生的电脉冲通过发射探头(即电-声换能器)转换成超声脉冲进入模型,通过电接收头(即声-电换能器)接收到仪器测得讯号的时间计算出声速表示出来,从仪器中读出声速再根据检测过程中取得的芯样判断出注浆后模型的注浆饱满度。声波仪检测示意图如下图6。

图6 声波仪检测示意图

4试验结果分析及结论

通过对现场模拟采空区充填的地表“人工矿柱”进行地质雷达测试,结果如下：

(1)顶面注浆前后地质雷达对比图如图7所示。

图7 顶面注浆前后地质雷达对比图

(2)侧面注浆前后地质雷达对比图如图8所示。

图8侧面注浆前后地质雷达对比图

根据以下规律^[8]：充填体密实度或缺陷主要根据雷达反射波的同相轴连续性进行评价。若同相轴平直、规则并连续,表明介质均一性、密实度较好；反之,若同相轴出现弯曲、错断、分叉和紊乱等不连续特征,则表明介质均一性、密实度较差,并伴随沉陷现象。反射波同相轴自上而下出现同步错断异常,直观地反映了相应位置介质的带状沉陷现象。反射波同相轴呈曲折、分叉特征。填土不密实呈松散状态,含水量相对偏大,个别甚至呈液限,则此区域相对介电常数与周围介质相差较大。由于土层疏松、孔隙率大、含水量不均匀,故电磁波反射面多而乱,在雷达探测图上表现为反射波较多、不连续且反射能量强弱变化较大,图形较为杂乱。无论是同相轴曲折异常还是同相轴分叉异常均反映了介质密实度较差和介质受力破坏所导致的局部沉陷现象。通过大试块在注浆前后对雷达采集信号的对比中可以发现：

(1)注浆完成后,大试块中原先因材质原因存在的大量杂乱的反射在注浆后得到显著的拟制及消弱,表明原先堆积较松散的区域在注浆过程中得到了充分的填充；

(2)大试块在注浆结束后,其雷达波传导性能有了进一步的提高。对于后期工程注浆检验检测手段的选择上宜优先选用雷达方法进行检测。

(3)通过大试块与小试块的对比,基本可以认定：大试块注浆后物理力学指标已经接近于小试块(效果最好的)的水平。

(4)在对比的同时,还发现在大试块注浆后,由于浆液下渗等原因,其顶部浆液饱满度不如底部,这可能与注浆压力及注浆的量有很大关系。如通过增加注浆加压时间,打通导流导气孔、联合注浆注浆管加深等措施增加注浆效果。

在对现场模拟采空区充填的地表“人工矿柱”进行地质雷达测试后,为了保证试验测试的准确性,又对它进行了声波透射测试,使其得到的结果与地质雷达测试的结果进行比较。根据声波测试所得数据生成折线图如下图9：

图9声波测试波速图

根据声波测试数据可得平均超声波速为2.08km/s,由图可看出波速趋势线接近于水平线,说明各测点的波速接近平均值,同时有保持一个定值的趋势,明显表现出了浆液灌注的均匀性,表明原先堆积较松散的区域在注浆过程中得到了充分的填充,使得“人工矿柱”更加密实,具有一定的强度。与地质雷达测试的结果一致,表明了试验测试结果的准确性。

5结束语

本文介绍了“采矿环境再造连续开采嗣后充填采矿法”中构筑“人工矿柱”的新方法,开展了“人工矿柱”半工业试验,包括地表充填料调查、浆液水灰比配比试验、骨料配比试验和力学参数测定试验,基于以上对“人工矿柱“进行了地质雷达测试和声波透射测试,并对两种测试结果进行了对比分析,得到以下结论：

(1)地质雷达检测结果和声波测试结果一致表明：无论是小试块还是大试块,经过注浆处理形成的人工注浆充填体的注浆饱满度较好,但试块四周注浆饱满度略差,尤其在试块顶部；浆液在固结过程中,因试块的成份、骨料、颗粒不同,其固结效果存在差异,存在各向异性。

(2)半工业试验结果表明：利用注浆技术构筑人工矿柱技术与工艺具有可行性,能够达到设计要求,能够满足实操培训的功能要求。利用钢管骨架和废石通过注浆胶结而成“人工矿柱”在国内外是一种创新。

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