复杂大水矿山的安全开采.ppt

复杂大水矿山的安全开采实践,五矿邯邢矿业有限公司总工程师 岳润芳2012年7月8日 济南,2,提 纲,一、邯邢矿业简介二、大水矿山西石门铁矿的安全开采 三、大水矿山北洺河铁矿的安全开采 四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿 五、结语,3,一、邯邢矿业简介,1 企业名称 原名 邯邢冶金矿山管理局 曾经隶属冶金部、中央企业工委 国资委 改制后 五矿邯邢矿业有限公司 2004年与中国五矿重组 2011年改制 五矿全资子公司2 产能 全部井下开采 2012年铁矿石1100万吨/a 铁精矿400万吨/a,4,一、邯邢矿业简介,3 企业矿山分布 国内：邯邢区域 西石门 北洺河 符山 玉石洼（矿山村 玉泉岭 团城 马甲垴）安徽区域 安徽开发矿业（李楼 诺普）索伊 庆发 泥河 建成750万吨/a国内最大的地下充填矿山（十二五科技支撑计划项目 特大型地下矿山规模化开采关键技术 基地）山东区域 郑家坡 高阳 东北区域 营口 山西区域 临汾国外：非 洲 毛里塔尼亚（SNIM）TAZADIT,5,提 纲,一、邯邢矿业简介二、大水矿山西石门铁矿的安全开采 三、大水矿山北洺河铁矿的安全开采 四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿 五、结语,6,二、大水矿山西石门铁矿,1 基本情况位置：河北邯郸市 武安市境内 建设规模：铁矿石220万t/a，铁精矿100万t/a 地质条件涌水量：1980年 最大80724 t/d 正常28055 t/d 2009年 最大22893 t/d 正常16643 t/d 灰岩含水层 地下水库 闪长岩不含水2 采用传统的开采方法-崩落采矿法在不含水的地层内进入深部 建设排水系统掘进疏干巷道 钻疏干孔 放水 形成疏干漏斗在疏干漏斗中作业，实现安全开采,7,二、大水矿山西石门铁矿,8,二、大水矿山西石门铁矿,3 3.28事故时间：2009年3月28日当班工作：清渣、检撬、除底等 准备支护工作突水点：位于掘进工作面后方透水量：约20分钟，突水量达到26000m34 突水的速度,难以想象的巨大冲击力冲击的石头、渣石最大直径达1.6m斜井的轨道被冲断、扭断 道渣全部冲入底部,9,二、大水矿山西石门铁矿,10,二、大水矿山西石门铁矿,5 原因 与民采老窿连通的巷道突水非法开采形成的空区 难以防范 非法开采形成的巷道 空间位置难确定 危害更大6 事故前的防范措施空区的勘探预防：工作面前部短探 3 5米 老窿空区通常在矿体中 据矿体边界30米开始长探 突水点在距离矿体40米的不含水的闪长岩中,11,二、大水矿山西石门铁矿,7 后续的防范措施（1）难点所在 如何获知地下空区范围内：人为空区、天然溶洞 如何获知地下空区范围内的充水巷道（2）采用过的多种探测方法,12,二、大水矿山西石门铁矿,13,二、大水矿山西石门铁矿,8 目前的探测措施TRT 8.1 TRT6000型超前预报系统的应用 TRT（True Reflection Tomography）（6000型）探测技术是通过震动波获得隧道前方空间全息图的一种技术，在隧道超前预报领域有很好的应用。2009年，西石门铁矿与中国安科院、铁科院等合作，开始使用该技术 震源来之于锤击 操作简单 安全 准确性相对较高 原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。通过分析，获得公路隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置、形状、大小。逐步被应用到矿山巷道超前预报领域，效果显著。,14,二、大水矿山西石门铁矿,8.2 TRT探测准确性的前期验证TRT 对现场已知空区探测 实际位置与预测位置对比 结果基本准确,15,二、大水矿山西石门铁矿,8.3 TRT预报的操作流程,16,主机,无线模块,基站,二、大水矿山西石门铁矿,17,TRT传感器布设俯瞰图 TRT传感器布设横截面,二、大水矿山西石门铁矿,使用全站仪对上述标记的 24个点位进行坐标测量，要求误差小于5cm,二、大水矿山西石门铁矿,19,使用冲击钻在已经选取的10个检波器点位打孔，孔径6mm，深度要求3-4cm,二、大水矿山西石门铁矿,20,调制速凝剂，将检波器固定块安装到打好的孔中,二、大水矿山西石门铁矿,21,等待速凝剂固定后，安装检波器和模块,二、大水矿山西石门铁矿,22,用812镑的大锤按顺序在震源点进行锤击，触发震源。要求每个震源点触发3个，采集并保存可用信号36个,二、大水矿山西石门铁矿,23,利用TRT软件对采集的数据进行选取,24,处理后最终生成的成果图像,探测的有效长度120m 使用长度40-70m,25,依据TRT解析成果，设计钻探工程,南区-40m中段3#穿地质设计剖面图1:1000,26,二、大水矿山西石门铁矿,8.4 TRT的操作过程更安全原有震源：爆破产生振动波 TRT 锤头撞击产生振动波8.5 探测的准确性 目前获得成果 有疑：还不能绝对判断一定是 断层 空硐 含水层 无疑：则肯定无疑 可放心施工,27,二、大水矿山西石门铁矿,（2）经济效果原来 有无疑问要布5个超前勘察孔 目前只向有疑方向布孔 无疑 布1-2个孔 即可 安全大大提高 掘进效率大大提高,28,二、大水矿山西石门铁矿,8.6 准确性提高的再研究与中国安全生产科学研究院合作 承担“十二五国家科技支撑计划”课题“采空区探测技术与装备研发”2012年7月2日已启动 相信预测的准确性会有更大的提高,29,提 纲,一、邯邢矿业简介二、大水矿山西石门铁矿的安全开采 三、大水矿山北洺河铁矿的安全开采 四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿 五、结语,30,三、大水矿山北洺河铁矿,1 基本情况水量基本情况：70年代由于水大而停建 1997年恢复建设 2002年建成投产采矿方法：无底柱分段崩落发2 地表水的防治北洺河河道改河 地表区域汇水防洪沟拦截,31,三、大水矿山北洺河铁矿,矿坑总涌水量表,注：表中水量单位为：m3/d。,32,三、大水矿山北洺河铁矿,3 地下水的防治 3.1 分段疏干工程布置方案 副中段疏干 中段主运输水平 主疏干水平 副中段疏干水平 中段主运输水平 主疏干水平,33,三、大水矿山北洺河铁矿,3.2 分段疏干优点辅助疏干水平：位于开采中段中部 用较小的疏水量提前把矿体较上部分的水疏下去主疏干水平：位于主运输中段下面 确保运输水平的安全生产和作业,34,三、大水矿山北洺河铁矿,4 水文监测系统水文监测系统的建立，密切观测地下水位的动态始终保证采掘作业的地点 在疏干漏斗之中 保证作业的安全,35,三、大水矿山北洺河铁矿,36,提 纲,一、邯邢矿业简介二、大水矿山西石门铁矿的安全开采 三、大水矿山北洺河铁矿的安全开采 四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿 五、结语,37,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,1 课题来源“十一五”国家科技支撑计划课题课题名称 复杂富水矿床开采关键技术开发与研究课题编号 2006BAB02A01（课题已于2011年4月顺利通过科技部验收）2 课题主要内容（1）复杂富水矿床安全高效采矿方法研究（2）全尾矿浓缩、充填材料、工艺设备及自控技术研究（3）长距离全尾砂水淬渣物料泵送充填技术研究（4）水患和地压突变规律及监测预报控制技术研究,38,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,3 本课题参加单位共有11个四个研究基地 五矿邯邢矿业公司 山东高阳 南京银茂铅锌矿业有限公司 栖霞山 云南驰宏锌锗股份有限公司 会泽 马钢控股有限公司 白象山四所大学 青岛理工大学 北京科技大学 中南大学 山东科技大学两个研究院 长沙矿山研究院 马鞍山矿山研究院有限公司一个技术中心 国家金属采矿工程技术研究中心,39,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,4 各基地水害的复杂性4.1 黑色行业高阳铁矿矿床 乌河位于矿体上方，除东侧闪长岩形成阻水边界外，矿体顶、底板及南、北、西侧均受水害威胁。白象山铁矿 地表有青山河流经矿区，常年有水，且水量大；矿区内有导水性好的F1、F2、F3断层切割矿体顶板各岩层，直达河床和地表；矿床上部杂色粉砂岩强富水层上部的紫色页岩弱富水层在矿区2线以北7线以南的中间部位缺失，形成“天窗”。,40,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,4.2 有色行业云南驰宏 矿床三面环水，矿体与充水、含水岩层直接接触并处于长江支流牛栏江的河床之下，矿体与矿区东侧牛栏江的水平距离仅900 m；矿山深部矿体埋藏深度达1380m,41,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,南京栖霞山 矿区距长江不到1000m,矿区内有明镜湖，长江支流九乡河流经矿体正上方，雨季流量200300m3/s，因而矿区水系复杂，区域影响重大。矿山地处南京市郊著名风景区栖霞寺，矿体上方为栖霞镇，居民密集。,42,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,4.3 典型的复杂富水矿床 其共同特点是（1）矿石品质优良（2）矿区生态和环境保护要求严格，地表不允许塌陷、（3）矿体赋存条件复杂、受水害威胁严重。,43,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5 高阳铁矿的水的防治 课题主要内容之一5.1 建设期间突水的防治 基建期突水（突水点上方地表不能布置钻机）地表钻位在副井区 与 井下出水点 水平距离 120m 垂直距离 270m利用石油行业的钻井技术 准确定位结合铁矿行业的注浆技术 水的封堵 准确封堵出水点,44,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.2 导水通道探测与局部帷幕注浆封堵监测综合治水方案（真正搞清水的来龙去脉）（1）三级水文地质单元划分 从“系统论”的 整体性、层次性出发，区域、矿区、矿体 提出和建立三级水文单元 概念 补给区 径流区 排泄区,45,高阳铁矿三级水文地质单元奥陶系灰岩中地下水的运移规律图,46,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.2 导水通道探测与局部帷幕注浆封堵监测综合治水方案（2）水文地质物理模型地下水含水系统概化为6层，从上到下为：1）第四系弱透水层 2）第四系含水层 3）基岩第一弱透水层 4）基岩强含水层 5）基岩第二弱透水层 6）含矿层中富水带。,47,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,含水系统结构模型立体图,48,矿体外部涌水水源的水力联系分析图,49,矿区水文地质物理模型（来水通道及承压水）,50,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.3 导水通道地下电磁波CT探测 物理探测目标：查明岩溶的位置、规模、产状及空间分布规律；溶洞、断层破碎带及裂隙密集区等地下水通道与富集区；岩溶地下水主要径流带及其分布规律；岩溶发育随深度的变化规律；含水层、隔水层的空间分布规律。,51,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.4 井间电磁波CT成像技术物探探测方案 高阳、青岛理工大学和泰安顶新地学CT勘探公司 联合进行了此项初步物探工作。布设范围：井间电磁波CT技术物探钻孔布设在-245m水平，共布设8个探测孔（KT5、KT6、KT7、KT8、KT09、KT10、KT11、KT12）。,表 探测孔参数,探测精度：可以探测到1m1m1m的溶洞、破碎带等异常体；该方法探测成功率为70-80%。CT技术应用成像综合解释成果。,52,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.5 地下突水范围与突水空间位置的确定,53,图 高阳铁矿KT9-12剖面电磁波CT层析成像综合解释成果,54,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,55,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.6 井下帷幕注浆和局部注浆堵水方案与技术以高压力注浆的方法将注浆液压至岩层的裂隙中去，注浆设计中以扩散半径R=1.75m，孔距L=3.0m时，即帷幕厚度为T=1.8m。形成一道有效的堵水帷幕。,56,-285m水平注浆 钻孔平面示意图,57,-285m水平5#7#穿西侧端部堵水帷 幕设计位置平面图,58,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.7 注浆封堵工程量 在施工区4个掌子面、10个巷道侧壁面和2个巷道底面范围总共设计了174个封堵注浆钻孔。形成南北长141米，高15米，厚度为1.702.00m的帷幕防渗墙体，以达到封堵西部外围水体突入矿区的目的。,59,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,5.8 高阳铁矿局部注浆封堵的效果高阳铁矿于2009完成了局部注浆封堵治水工程，共施工钻孔65个，深度2162.2m，日排水总量7000m3左右，降至1000m3/d以下，水位降到了作业水平之下实现了矿床无水条件下的开采，并大大节省了矿上排水费用，保证了高阳铁矿安全正常生产。（方法区别于区域帷幕注浆）CT探测技术使 局部通道的寻找、准确封堵通道成为可能,60,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,6 复杂富水矿床安全高效采矿方法研究-课题主要内容之一 6.1 高阳铁矿 多层位矿体盘区一体化分层回采胶结充填采矿法，该采矿方法的运用消除了矿山原有两步骤回采的技术、安全难题，提高了生产效率。,61,62,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,6.2 南京栖霞山铅锌矿 上向分层连续回采充填采矿法，该采矿方法采场间不留间柱、采场内不留点柱，实现了一步骤连续回采，不存在二步骤回采难题。6.3 云南驰宏“水压支柱护顶大进路两步骤回采充填采矿法”“水压支柱护顶盘区连续回采充填采矿法”两种采矿新方案，将单体液压支柱作为主要支护手段而引入金属矿山，实现了大断面进路的安全回采,63,水压支柱护顶大进路两步骤回采充填采矿法图,64,水压支柱护顶盘区连续回采充填采矿法图,65,单体液压支柱方案图,66,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,6.4 马钢白象山 上向分层点柱充填采矿法,67,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,6.5 充填采矿方法的治水作用 高阳 栖霞山 云南驰宏 白象山 清一色采用井下充填采矿法 不仅要充填 而且有足够的充填体强度（1.2 2MP以上)充填的终极目标是实现地表不沉陷 地表河流及第四纪含水层获得保护 7 高阳铁矿顶板及地表沉降监测 课题主要内容之一 7.1 顶板及地表沉降监测 建立矿山地压监测系统，根据监测数据分析矿床开采过程中的岩体变形规律。地压监测的项目和内容如下表所示。,68,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,地压监测项目和内容,69,四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿,7.2 监测结果 充填效果的最终检验井下监测资料 变形数据显示顶板位移变形很小 地表监测资料 沉降数据显示沉降变形很小 毫米级说明 充填实现了地表的不沉陷,70,提 纲,一、邯邢矿业简介二、大水矿山西石门铁矿 三、大水矿山北洺河铁矿 四、复杂富水矿床开采关键技术开发与研究及 高阳铁矿 五、结语,71,五、结语,1 地表河流水的防治（1)崩落采矿法：西石门 人工河床（加保安矿柱）保证河道的完整 北洺河 河流改道绕开矿床开采陷落区 保证河流通过(2)充填采矿法：高阳 栖霞山 云南驰宏 白象山 全部采用井下充填采矿法 实现地表不沉陷终极目标，地表河流及第四纪含水层获得保护 井下开采的安全得到了保证,72,五、结语,(3)地表水的防治 避让 采矿顺序的调整 通常开采顺序由 由上而下开采 调整为 由中而上 由下而上 有效增加开采工作面到地表的距离，像一个超级矿体顶柱避让 远离了地表水、直接降低地表水以及地表含水层造成的危害,73,五、结语,2 地下水的防治第一控制 封堵 如 围幕注浆 封堵进水通道 控制大量的水不要进入作业范围 宏观减少水量 减少突水危害 降低排水成本 减少环境影响第二控制 疏干 如分层疏干，管井疏干 把作业区的水位水平下降到预期水平 形成疏干漏斗 营造安全作业空间,74,五、结语,3 建议 对每个矿床都要做防治水的专项研究 各矿山水的情况差异很大 也许完全不同，不会有一个统一的方法 通常水文地质勘察报告给出了涌水量及防治建议 与专业机构合作 进行防治水的专项研究给出防治方案是必要的,谢谢五矿邯邢矿业,