大體積充填體下隔離中段鑿巖硐室頂板安全厚度研究

費漢強，黃英華

(1.長沙礦山研究院， 湖南 長沙 410012;2.湖南長斧眾和科技有限公司， 湖南 長沙 410012)

大體積充填體下隔離中段鑿巖硐室頂板安全厚度研究

費漢強1，2，黃英華1

(1.長沙礦山研究院， 湖南 長沙 410012;2.湖南長斧眾和科技有限公司， 湖南 長沙 410012)

充填體下隔離中段礦體大直徑深孔采礦的難點主要是鑿巖硐室的布置及頂板穩(wěn)定性問題。對某銅礦山450 m中段礦體，經(jīng)過方案比較及綜合分析，從安全可靠角度出發(fā)，確定增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室方案為最優(yōu)布置方案，并采用彈性力學(xué)小變形薄板理論計算鑿巖硐室頂板的最小安全厚度，為礦山隔離中段礦體安全回采提供了依據(jù)。

大直徑深孔采礦法;鑿巖硐室;安全厚度

0 引言

新疆阿舍勒銅礦600 m水平以下為厚大急傾斜礦體，采用大直徑深孔側(cè)向崩礦采礦法，采場垂直礦體走向布置，中段高度為50 m，采場寬12 m。由于大直徑深孔空場嗣后充填采礦法決定了相鄰中段很難平行回采，為保證礦石產(chǎn)出量及安全回采，礦山留設(shè)了多個未開采的隔離中段，如700 m中段、600 m中段、450 m中段，隔離中段礦體屬應(yīng)力集中中段，而這些隔離中段上下均為已采中段采場充填體，為保證資源最大程度回收和礦山經(jīng)濟(jì)效益，礦山必須要回收隔離中段礦體，由此不可避免的面臨在充填體下安全采礦的難題，而充填體下大直徑深孔采礦的難點是鑿巖硐室的布置。本文針對450 m中段礦體，采用彈性力學(xué)小變形薄板理論計算鑿巖硐室頂板的最小安全厚度，為確保隔離中段礦體的順利回采提供了依據(jù)。

1 鑿巖硐室布置

1.1 鑿巖硐室布置原則

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀和開采技術(shù)條件，以及400～500 m上下中段都為充填體的回采環(huán)境，見圖1，為保證450 m中段安全、高效回采，鑿巖硐室布置須考慮以下4方面:

圖1 400～500 m中段開采及充填狀況

(1)利用采場周邊現(xiàn)有工程及開采工藝系統(tǒng);

(2)阿舍勒銅礦現(xiàn)有采礦工藝和爆破方式;

(3)礦圍巖穩(wěn)固性及可暴露面積的大小;

(4)鑿巖硐室形成的周邊環(huán)境(如采場上部未出盡的殘礦、充填體)。

1.2 鑿巖硐室布置方案

綜合考慮以上因素，提出如下4種鑿巖硐室布置方案:

方案Ⅰ，500 m水平充填體內(nèi)布置鑿巖硐室;

方案Ⅱ，450 m中段采場頂柱以下布置鑿巖硐室;

方案Ⅲ，500 m中段采場底部結(jié)構(gòu)內(nèi)布置鑿巖硐室;

方案Ⅳ，增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室。

通過對4種鑿巖硐室布置方案詳細(xì)技術(shù)分析與對比，從安全可靠角度出發(fā)，確定增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室方案為最優(yōu)布置方案。

1.3 增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室方案

為便于鑿巖硐室使用期間頂板維護(hù)，增設(shè)一個輔助中段，將原來設(shè)計的50 m中段礦體劃分為上下兩個部分進(jìn)行回采，輔助中段下盤沿脈運輸巷采用石門聯(lián)通斜坡道和副井，回風(fēng)天井布置在北下盤沿脈巷道端部，并與上中段沿脈巷道貫通，輔助中段布置大直徑深孔鑿巖硐室，如圖2所示。

圖2 采場內(nèi)增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室

下部鑿巖硐室布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，本方案采用礦山使用過的在硐室兩邊留梳形礦柱的硐室布置形式(見圖2)，此類型硐室有利于硐室的自身穩(wěn)定。硐室寬12.0 m，高3.8 m，長為礦體厚度。在硐室的兩邊留梳形礦柱，每6.4 m 留一條，礦柱大小為(1.6～1.8)m×(5～5.3)m。

上部礦體采用上向扇形中深孔回采，其鑿巖巷道在下部礦體充填至原硐室底板水平后人工澆筑在原大孔鑿巖硐室內(nèi)，規(guī)格為3 m×3 m，再將其周圍空隙充填滿。

2 硐室頂板最小厚度計算

井下采場頂板懸空巖層處于邊界約束的三維受力狀態(tài)，可通過板狀結(jié)構(gòu)的強度計算進(jìn)行分析，如圖3。設(shè)頂板寬Lx，長Ly，厚度h。板上面作用載荷集度為q。

圖3 板坐標(biāo)與載荷分布

在頂板斷裂前，可視板四周為固定支撐。根據(jù)彈性力學(xué)小變形薄板理論，采用Ritz法求解。假設(shè)頂板巖層中的撓曲函數(shù)為:

推導(dǎo)出頂板巖層的撓曲函數(shù):

根據(jù)彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)出頂板巖層內(nèi)應(yīng)力與撓度的關(guān)系為:

將(2)式代入(3)式，可得頂板巖層內(nèi)應(yīng)力表達(dá)式:

由(4)式可求得頂板巖層中任意點的應(yīng)力值。通過計算，求得頂板中的最大主應(yīng)力為:

根據(jù)H.Tresca屈服準(zhǔn)則，當(dāng)頂板危險點產(chǎn)生剪切屈服時，該點的主應(yīng)力滿足下式:

將(5)式代入(6)式，得:

式中，τmax——頂板巖層最大剪應(yīng)力，MPa;

H——頂板覆巖厚度，m;

h——頂板厚度，m;

γ——頂板巖層容重，kg/m3

υ——頂板巖層的泊松比;

Lx、Ly——頂板寬和長，其中 Lx=min(Lx，Ly)。

將q=γH代入(7)式，可得頂板承受的剪切力。將所得值與頂板巖體的抗拉強度和抗剪強度進(jìn)行比較，如果其中任何一項達(dá)到或超過巖體強度值，頂板則發(fā)生破斷。因此，采場頂板斷裂判據(jù)為:

式中，［σ］、［τ］分別為頂板巖層的抗拉強度和抗剪強度，MPa。

四周固支板的破斷過程是從板長邊中心區(qū)開始形成裂縫，然后在短邊中央形成裂縫，待四周裂縫貫通后，形成了“X”型破壞、坍塌(見圖4)。

圖4 頂板斷裂破壞過程示意

采用彈性力學(xué)小變形薄板理論分析450 m中段下部采場鑿巖硐室頂板最小安全厚度。根據(jù)大直徑深孔采礦法特點及目前礦山開采的實際情況，采場寬度Ly=12.0 m，采場長度Lx=50 m，頂柱厚度h=3.0 m，礦巖單軸抗拉強度 σt=1.31 MPa，抗剪強度τ=12.92 MPa，泊松比 υ=0.22，覆巖垂直應(yīng)力 q=γH=3.0 MPa。

由(5)、(7)式計算得出頂柱礦體的最小安全厚度為 h1=11.4 m，h2=2.2 m。由此可見，滿足抗拉強度要求的采場頂柱安全厚度為11.4 m，滿足抗剪強度要求的安全厚度為2.2 m，取兩者大值，即h≥11.4 m時，鑿巖硐室頂板能保證下部采場的安全回采。

3 結(jié)論

新疆阿舍勒銅礦隔離中段屬應(yīng)力集中中段，且隔離中段上下均為已采中段采場充填體，充填體下采用大直徑深孔法回采的難點是鑿巖硐室的穩(wěn)定性。綜合各種鑿巖硐室布置的優(yōu)缺點，從安全可靠角度出發(fā)，確定增設(shè)輔助中段布置鑿巖硐室方案為最優(yōu)方案。根據(jù)彈性力學(xué)小變形薄板理論，計算得出鑿巖硐室頂板距上部充填體之間距離h≥11.4 m時，才能確保450 m中段下部礦體大直徑深孔的回采安全。

［1］ 陳繼倫.大直徑深孔采礦在阿舍勒銅礦的成功應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2010，(3).

［2］ 肖保峰，姚 香.阿舍勒銅礦深孔階段空場嗣后充填采礦法試驗與應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2006，(3).

［3］ 張榮林.北礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性及對下部礦體安全開采影響［J］.金屬礦山，2003，(5).

［4］ 長沙礦山研究院，新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司.采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及支護(hù)技術(shù)研究報告［R］.長沙:長沙礦山研究院，2010.

2011－07－08)

費漢強(1980－)，男，湖南武岡人，助理工程師，從事與礦山安全、爆破安全有關(guān)的技術(shù)研究工作，Email:fhq@cimr.com.cn。