礦柱回采時空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測

邢兆超 呂會元

(山東金嶺礦業(yè)股份有限公司)

山東金嶺礦業(yè)股份有限公司辛莊礦床處于生產(chǎn)末期，為了穩(wěn)定產(chǎn)量，提高資源回收率，需要對遺留礦柱進(jìn)行回收。501礦柱兩側(cè)的空區(qū)形成時間較長，且在兩側(cè)礦房回采過程中，501礦柱曾發(fā)生局部垮塌，因此，必須采取措施，確保該礦柱的安全回采。

1 501礦柱周邊開采現(xiàn)狀

辛莊礦床為矽卡巖型磁鐵礦，－340～－460 m水平為厚大礦體，礦體傾角在80°以上，局部有倒傾現(xiàn)象，最大厚度達(dá)到55 m，礦體上、下盤圍巖分別為石灰?guī)r和閃長巖。設(shè)計有501礦房、501礦柱和502礦房3部分。501礦房礦體從－360 m水平一直延伸到－460 m水平，共有9個分段水平，－420～－460 m水平的礦石未回采;502礦房從－360 m水平一直延伸到－420 m，設(shè)有5個水平，已回采完畢;501礦柱從360 m水平延伸到－460 m水平，礦柱垮落前礦量23．3萬 t，垮落后礦量18．3萬 t。

2 501礦柱回采方案

根據(jù)礦體的賦存條件，結(jié)合501礦柱兩側(cè)采礦現(xiàn)狀，采用周邊空區(qū)不充填搶采501礦柱、回采強(qiáng)度高的中深孔落礦方案［1］，爭取在空區(qū)圍巖大面積變形前完成出礦作業(yè)，最后進(jìn)行膠結(jié)充填。

此方案的優(yōu)點是改變生產(chǎn)方式，回采時利用兩側(cè)空區(qū)做自由面，礦石崩落到501和502礦房內(nèi)，可實現(xiàn)－460、－420 m 2個地點出礦，采礦強(qiáng)度高。缺點是隨著回采的進(jìn)行，空區(qū)暴露面積逐漸增大，501、502空區(qū)和501礦柱連成一片，空區(qū)上下盤和頂板暴露面積達(dá)到2 500 m2，易發(fā)生頂板大面積垮落，造成人員傷害和設(shè)備損壞事故。

因此，回采方案實施的關(guān)鍵是要了解501礦柱周邊空區(qū)的穩(wěn)定性，并根據(jù)空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的變化，有預(yù)見性地提前采取撤離人員、設(shè)備、進(jìn)行下盤巖體加固等措施。

3 501礦柱周邊空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性研究

3．1 建立模型

通過對礦山開采技術(shù)、礦山地質(zhì)條件的分析，對開采前后的空區(qū)分布進(jìn)行調(diào)查，利用－360、－372、－384、－396、－408、－420、－433、－446、－460 m平面圖的礦體輪廓線，采用SURPAC三維礦山設(shè)計軟件模型構(gòu)建技術(shù)，建立了精確的501礦柱局部垮落后、501空區(qū)、502空區(qū)三維實體模型。

3．2 501礦柱周邊空區(qū)圍巖三維模擬計算

利用SURPAC軟件建立三維地質(zhì)模型，把三維地質(zhì)模型導(dǎo)入到FLAC3D軟件中進(jìn)行仿真計算。本方案綜合了SURPAC軟件在三維建模方面的優(yōu)勢和FLAC3D軟件在數(shù)值計算方面的優(yōu)勢，使數(shù)值模擬更符合實際，提高了模擬的可靠性［2］。

模擬計算了不同開挖階段501礦柱局部垮落后、開挖501房下部、開挖501礦柱后、501礦柱周邊空區(qū)圍巖各水平應(yīng)力、位移及塑性區(qū)情況。數(shù)值計算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3．3 不同開挖階段501礦柱空區(qū)圍巖各水平應(yīng)力、位移及塑性區(qū)綜合分析

通過數(shù)值模擬計算分析，得到不同開挖階段501礦柱周邊空區(qū)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情 況，見表2。

表2 不同開挖階段501礦柱周邊空區(qū)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布

綜合表2數(shù)據(jù)分析可知，從最大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)看，隨開挖推進(jìn)，在下步501礦房開采后，－372、－384、－396 m水平壓力呈增大趨勢，－408、－420 m水平變化不大。位移也有類似趨勢，但－408、－420 m位移有增大趨勢。從塑性區(qū)面積看，－372、－384 m隨開采進(jìn)行有增大趨勢，－384～－396 m水平分布較大，是相對危險區(qū)域。

3．4 501礦柱周邊空區(qū)圍巖應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

3．4．1 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)使用的是KD-2型無線巡檢系統(tǒng)，并采用與其配套的振弦傳感器，用于微機(jī)自動監(jiān)測多點多種物理量。采用ZLGH-20型鉆孔測力計，測量煤礦或金屬礦預(yù)留柱應(yīng)力的變化。

監(jiān)測系統(tǒng)使用的數(shù)學(xué)計算模型為

式中，A為傳感器自身測定的出廠參數(shù);f為實際安裝后測得頻率值;f0為初頻;F為壓力值。

監(jiān)測裝置放在井下，數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)降乇肀O(jiān)控電腦上，設(shè)置每2 h采集1次數(shù)據(jù)，并設(shè)定警示功能，一旦監(jiān)測點數(shù)據(jù)發(fā)生突變超過安全數(shù)值，將自動提示。

3．4．2 監(jiān)測點布置

根據(jù)表2綜合分析確定的危險區(qū)域，在501礦柱周邊選取了18個監(jiān)測點，－372 m水平4個，－384 m水平2個，－396 m水平4個，－408 m水平4個，－420 m水平2個。其中－372 m水平作為頂板穩(wěn)定性監(jiān)測，－396 m和－408 m作為最危險區(qū)域監(jiān)測，－384 m和－420 m作為發(fā)展中危險區(qū)域監(jiān)測。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

2011年6月辛莊礦床完成了應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作，并投入使用。同時501礦房底部也開始進(jìn)行回采，2011年8月底回采完畢，隨后回采501礦柱。表3為回采期間各水平501柱周邊空區(qū)圍巖應(yīng)力監(jiān)測部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表3 各水平501礦柱周邊空區(qū)圍巖部分應(yīng)力監(jiān)測相對值

由表3可以看出，各水平應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著501礦柱開采的不斷往下延伸呈現(xiàn)逐步增大趨勢。2012年3季度，501礦柱回采至－396 m水平時，各水平壓力增速變快，表明圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)惡化，下一步圍巖應(yīng)力會進(jìn)一步增加，有可能能發(fā)生圍巖頂板的冒落和局部坍塌。因此，要對可能發(fā)生冒落的區(qū)域進(jìn)行觀察，并加快501礦柱回采進(jìn)度，回采完畢后及時對空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填，以確?？諈^(qū)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過對礦柱回采時空區(qū)穩(wěn)定性的分析預(yù)測，實現(xiàn)了對礦柱回采過程中周邊空區(qū)圍巖穩(wěn)固性監(jiān)測，并對回采中的人身及設(shè)備安全提供預(yù)警，確保礦柱回采全過程的安全，該技術(shù)也可為其他礦山礦柱的安全回采提供參考。

［1］ 解士俊，周德元，宋曉天，等．采礦設(shè)計手冊:第四卷［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1990．

［2］ 張迎暉，王在泉，楊瑩輝，等．基于SURPAC的礦山開采穩(wěn)定性FLAC3D模型與模擬［J］．地下空間與工程學(xué)報，2011(2):306-310．