多層礦床同階段相鄰礦層安全回采順序分析

胡 倩 葉義成 柯麗華 王其虎

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081;2.湖北省頁(yè)巖釩資源高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430081)

礦山開(kāi)采中，不同的回采順序?qū)Σ蓤?chǎng)和圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響［1］。多層排列礦床，上、下礦層逐次采動(dòng)，多中段同時(shí)作業(yè)均對(duì)其鄰近礦層形成應(yīng)力擾動(dòng)［2］。礦層回采順序不同，礦層擾動(dòng)影響差別很大。通過(guò)合理調(diào)整礦層的回采順序，可以顯著改變開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高采場(chǎng)的穩(wěn)定性和回采工作面的安全性。許多學(xué)者對(duì)多層礦床回采擾動(dòng)影響進(jìn)行了研究。池秀文［3］結(jié)合巖梁和巖石力學(xué)、材料力學(xué)理論，探討了多層礦床頂板巖層與其相鄰的礦層厚度比對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，為判斷頂板穩(wěn)定性和開(kāi)采相互影響提供了理論依據(jù)。針對(duì)急傾斜近距離煤層群，李良林［4］從理論和實(shí)踐中分析了礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律，總結(jié)出不同狀況下開(kāi)采時(shí)煤層相互之間的礦壓顯現(xiàn)和互相影響程序，提出了巷道布置方式及其對(duì)應(yīng)的開(kāi)采順序。郝雁斌［5］針對(duì)近距離多煤層，對(duì)不同的煤層開(kāi)采順序方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從頂?shù)?、板位移、頂?shù)装鍛?yīng)力分布等方面分析了不同方案的巖層垮落情況和煤層間回采擾動(dòng)程度，從而確定了合理的煤層開(kāi)采順序。張緒言［6］利用數(shù)值模擬方法，對(duì)極近距離煤層群開(kāi)采時(shí)不同開(kāi)采順序?qū)ο聦用合锏绹鷰r的應(yīng)力影響進(jìn)行了分析。這些研究通過(guò)分析圍巖應(yīng)力、位移等分布狀態(tài)對(duì)多層礦回采擾動(dòng)影響進(jìn)行了探索，而從理論上確定多層礦床礦層間回采擾動(dòng)影響范圍，調(diào)整階段中相鄰礦層的回采順序的研究還不多見(jiàn)。

本研究針對(duì)多層礦床開(kāi)采過(guò)程中礦層間相互擾動(dòng)影響關(guān)系，分析擾動(dòng)影響高度［7］對(duì)階段中相鄰礦層安全回采順序的影響?；陔A段高度與擾動(dòng)影響高度的大小關(guān)系分類(lèi)，探討2 層礦體同時(shí)從上至下、先上后下和先下后上開(kāi)采時(shí)，相鄰2 礦層的超前關(guān)系及安全回采順序。

1 多層礦床礦層相互擾動(dòng)關(guān)系與回采順序

1.1 多層礦床礦層相互擾動(dòng)關(guān)系

對(duì)于緩傾斜多層礦床，礦層傾角小于30°，巖石移動(dòng)角一般大于礦層傾角，只能采用由上到下的開(kāi)采順序，一般采用房柱法［8］、分層充填法［9］、長(zhǎng)壁式崩落法［10］等。

而對(duì)于傾斜—急傾斜多層礦床，當(dāng)?shù)V層傾角與巖石移動(dòng)角差值較大(如圖1)時(shí)，上、下層礦體之間制約性大，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)影響大。礦床開(kāi)采方式不同，相鄰礦層的擾動(dòng)影響關(guān)系必然不同。在開(kāi)采這類(lèi)礦體時(shí)，合理確定礦體的先后回采順序、采礦方法等是至關(guān)重要的［7］。

圖1 傾斜—急傾斜多層礦床礦層間擾動(dòng)影響關(guān)系Fig.1 Disturbance relationship between adjacent mine stratums of tilt-steeply inclined multilayer deposits

在圖1 中，上層礦體開(kāi)采對(duì)下層礦體的擾動(dòng)影響高度為H，下層礦體開(kāi)采對(duì)上層礦體的擾動(dòng)影響高度為h?？梢钥闯?不論是傾斜礦層還是急傾斜礦層，擾動(dòng)影響高度H 值普遍大于h，而且H 值變化范圍較大，從幾十米到數(shù)百米，如傾斜多層礦體，礦層平均傾角為55°，巖石移動(dòng)角50°，礦層間距大于10 m 時(shí)，擾動(dòng)影響高度大于117 m。而h 變化范圍相對(duì)較小，從幾米到幾十米［7］。

1.2 多層礦床回采順序

對(duì)于傾斜—急傾斜多層礦床的回采順序，主要考慮3 個(gè)方面:①同層礦體不同階段的回采順序有上行開(kāi)采和下行開(kāi)采2 種方式［11］。在生產(chǎn)實(shí)際中，一般多用下行式開(kāi)采順序。上行式開(kāi)采順序僅在某些特殊條件下采用。②同一階段內(nèi)礦體的回采順序，有上向開(kāi)采和下向開(kāi)采2 種方式。③同一階段內(nèi)多層礦體上、下層的回采順序，有2 層礦同時(shí)從上至下、先上后下和先下后上開(kāi)采3 種方式。另外，關(guān)于同階段各礦層開(kāi)采時(shí)在時(shí)間和空間的超前關(guān)系較多，這里基于同一階段內(nèi)礦體的回采順序和礦體上、下層的先后回采順序列出6 種不同的開(kāi)采順序:

(1)階段內(nèi)下向式開(kāi)采，2 層礦同時(shí)開(kāi)采。

(2)階段內(nèi)上向式開(kāi)采，2 層礦同時(shí)開(kāi)采。

(3)階段內(nèi)下向式開(kāi)采，先上后下開(kāi)采。

(4)階段內(nèi)上向式開(kāi)采，先上后下開(kāi)采。

(5)階段內(nèi)下向式開(kāi)采，先下后上開(kāi)采。

(6)階段內(nèi)上向式開(kāi)采，先下后上開(kāi)采。

只有當(dāng)階段高度小于擾動(dòng)影響高度H，多層礦床才能采用上向式開(kāi)采。如圖2，階段高度大于擾動(dòng)影響高度h，小于擾動(dòng)影響高度H，可以采用階段式采礦方法，如留礦法［12］、階段礦房法［13］等，先采礦體I后采礦體II，下層礦II 開(kāi)采過(guò)程不會(huì)處于上層礦I 采空區(qū)移動(dòng)范圍內(nèi)。此時(shí)，2 層礦體不能同時(shí)開(kāi)采，也不能先采下層礦后采上層礦。

圖2 上向式開(kāi)采Fig.2 Upward mining

采用下向式開(kāi)采時(shí)，擾動(dòng)影響高度與階段高度大小關(guān)系不同，相鄰礦層安全開(kāi)采順序也會(huì)不一樣。

2 2 層礦體同時(shí)從上至下開(kāi)采

傾斜—急傾斜多層礦床2 礦層開(kāi)采先后順序不同，相鄰礦層擾動(dòng)影響關(guān)系不同，開(kāi)采分層、分段數(shù)及超前關(guān)系也會(huì)有差異。2 層礦體按分段或分層同時(shí)從上至下開(kāi)采，分段高度或分層高度不能大于h，即1個(gè)階段內(nèi)至少應(yīng)劃分m 個(gè)分段或分層，其中m 為階段高度與擾動(dòng)影響高度h 之比，此時(shí)各分層、分段在均勻下降過(guò)程中，同水平未采礦層必然處于相鄰已采礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外，從而保證礦床安全開(kāi)采。

若2 層礦同時(shí)從上至下分層開(kāi)采，如圖3，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個(gè)分層，分層高度小于h，2 層礦從第1 分層并行開(kāi)采下降至階段底部，各分層在均勻下降過(guò)程中，同水平未采礦層必然處于相鄰已采礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外，此時(shí)階段高度取值與擾動(dòng)影響高度無(wú)關(guān)。礦山實(shí)際生產(chǎn)中回采分層高度一般為2.5 ～3 m，對(duì)傾斜—急傾斜多層礦山，當(dāng)擾動(dòng)影響高度h 大于2.5 ～3 m 時(shí)，理論上都可采用此開(kāi)采順序。根據(jù)文獻(xiàn)［7］，擾動(dòng)影響高度h 值一般大于3.7 ～5.4 m，大于礦山分層高度，因此不同賦存條件下的傾斜—急傾斜多層礦床都可以采用從上至下分層并行開(kāi)采。

圖3 2 層礦同時(shí)從上至下分層開(kāi)采Fig.3 Simultaneously mining of two-layer ore body from top to bottom

若2 層礦同時(shí)從上至下分段開(kāi)采，分段高度應(yīng)小于h，目前礦山開(kāi)采中分段高度一般為15 ～25 m。由文獻(xiàn)［7］，傾斜—急傾斜多層礦床在巖石移動(dòng)角γ1=60° ～75°，礦層傾角α2≤γ1+5°、礦層間距a ＞15 m時(shí)，h＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+15°、a＞15 m 時(shí)，h＞19.8 ～57.9 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a＞10 m 時(shí)，h＞14.8 ～29.2 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a＞20 m 時(shí)、h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+30°、a＞20 m 時(shí)，h＞20.8 ～40 m。這5 種賦存條件下擾動(dòng)影響高度h 大于分段高度，可以采用從上至下分段并行開(kāi)采，同階段下部未采礦體始終處于相鄰礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。對(duì)于巖石中等穩(wěn)固以上的急傾斜多層厚礦體，選用分段礦房法開(kāi)采，階段高度取為60 m 時(shí)，礦體1 個(gè)階段內(nèi)最少應(yīng)劃分分段數(shù)為

m = 60/15 = 4，

其中，擾動(dòng)影響高度取最小值，h=15 m。

值得注意的是，按分段或分層開(kāi)采多層礦體時(shí)，只能采用下向式的開(kāi)采順序，階段高度的選取與擾動(dòng)影響高度無(wú)關(guān)，分層或分段高度始終小于擾動(dòng)影響高度h，并行開(kāi)采過(guò)程中下部未采礦體始終處于上部礦體采空區(qū)移動(dòng)范圍外，能較大地提高礦床開(kāi)采的安全性;采用階段采礦法時(shí)，既可以采用上向式也可以采用下向式，但階段高度值必須小于擾動(dòng)影響高度。

3 先開(kāi)采上層礦后采下層礦

3.1 階段高度小于H 時(shí)的安全回采順序

一般情況下，傾斜—急傾斜多層礦體h 較小，階段高度大于h。礦體在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+5°、a＞10 m 時(shí)，H＞117 ～129 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°，a＞5 m 時(shí)，H＞95 ～112 m;在γ1=45° ～60°，α2≤γ1+10°，a＞15 m 時(shí)，H＞87 ～95 m［7］。這3 種賦存條件階段高度一般小于H，同一階段內(nèi)礦體采用下向式開(kāi)采，可以采用階段、分段或分層式采礦方法，如階段礦房法或分段崩落法、分層充填法等。開(kāi)采過(guò)程中可以先采完上層礦，后開(kāi)采下層礦體或者先開(kāi)采上層礦，后開(kāi)采下層礦，上層礦超前下層礦任意個(gè)分層或分段，開(kāi)采過(guò)程中下層未采礦體始終處于上層礦采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。

3.2 階段高度大于H 時(shí)的安全回采順序

傾斜—急傾斜多層礦床，當(dāng)γ1與α2差值很大時(shí)，擾動(dòng)影響高度H 也較小，若選取的階段高度大于H，同一階段內(nèi)礦體從下至上開(kāi)采時(shí)，同階段下層未采礦體必然處于上層礦采空區(qū)移動(dòng)范圍內(nèi)，即不能采用階段開(kāi)采法，如留礦法、階段礦房法等采礦方法，只能按分層或分段下向開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中2 層礦可以同時(shí)開(kāi)采，也可交替開(kāi)采，但必須滿(mǎn)足一定的超前關(guān)系:先采上層礦后采下層礦時(shí)，上層礦超前下層礦的回采高度不能大于H;先采下層礦后采上層礦時(shí)，下層礦超前上層礦的回采高度不能大于h。一般情況下，H值大于h，分段或分層開(kāi)采時(shí)，先開(kāi)采上層礦后采下層礦時(shí)可以采用高分段、高分層回采，分段、分層高度不應(yīng)大于H，1 個(gè)階段內(nèi)至少應(yīng)劃分n 個(gè)分段(層)，其中n 為階段高度與H 之比，此時(shí)先采上層礦后采下層礦，下層未采礦層必然處于上層已采礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。

礦體階段內(nèi)下向開(kāi)采，先采上層礦后采下層礦時(shí)，若上層礦超前下層礦的回采高度大于H，下層礦的部分未采礦體必然處于上層礦采空區(qū)移動(dòng)范圍內(nèi)，也就是說(shuō)上層礦超前下層礦的最大回采高度為H。即上層礦開(kāi)采超前下層礦至多n1個(gè)分段(層)，其中n1為H 與分段(分層)高度之比，此時(shí)各分層、分段開(kāi)采時(shí)，相鄰未采礦層必然處于已采礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。

如圖4，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個(gè)分層，分層高度小于H，先開(kāi)采上層礦1、2、3、4 分層，然后依次開(kāi)采上、下礦層5、6、7……，上層礦開(kāi)采過(guò)程中始終超前下層礦4 個(gè)分層，上層礦超前下層礦開(kāi)采高度始終小于H，開(kāi)采過(guò)程中下層未采礦體始終處于上層礦采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。

圖4 先開(kāi)采上層礦后采下層礦Fig.4 Mining the lower ore after the upper ore

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞5 m 時(shí)，H ＞11 ～12 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+25°、a ＞5 m 時(shí)，H ＞12 ～13 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞5 m 時(shí)，H ＞ 10 m［7］。這3 種賦存條件擾動(dòng)影響高度H 小于分段高度，不能按分段開(kāi)采，只能按分層先開(kāi)采上層礦后采下層礦，此時(shí)有

n1= 10/2.5 = 4，

即上層礦開(kāi)采最大可超于下層礦4 個(gè)分層，其中，擾動(dòng)影響高度取最小值，H=10 m，分層高度取為2.5 m。

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+10°、，a ＞5 m 時(shí)，H ＞29 ～32 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 時(shí)，H ＞32 ～37 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 20°、a ＞10 m 時(shí)，H ＞29 ～31 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 時(shí)，H ＞31 ～35 m［7］。這4 種賦存條件下可以按分段或分層開(kāi)采，按分層先開(kāi)采上層礦后采下層礦時(shí)，

n1= 29/2.5 = 11.6，

即上層礦開(kāi)采最大可超于下層礦11 個(gè)分層，其中，擾動(dòng)影響高度取最小值H=29 m，分層高度取為2.5 m。當(dāng)2 層礦按分段開(kāi)采時(shí)，

n1= 29/20 = 1.45，

即上層礦開(kāi)采最大可超于下層礦1 個(gè)分段，其中，擾動(dòng)影響高度取最小值H=29 m;分段高度取為20 m。

4 先開(kāi)采下層礦后采上層礦

傾斜—急傾斜多層礦床階段高度大于H，先開(kāi)采下層礦后采上層礦時(shí)，分段、分層高度不應(yīng)大于h，1個(gè)階段內(nèi)至少應(yīng)劃分m1個(gè)分段(層)，上層礦超前下層礦最大的開(kāi)采高度為h，即上層礦開(kāi)采超于下層礦至多m1個(gè)分段(層)，其中m1為擾動(dòng)影響高度h 與分層(分段)高度之比，此時(shí)先采下層礦后采上層礦，上層未采礦層必然處于下層已采礦層采空區(qū)擾動(dòng)范圍外。

一般情況下多層礦體擾動(dòng)影響高度h 較?。?］，先開(kāi)采下層礦后采上層礦時(shí)應(yīng)采用低分段低分層回采。如圖5，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個(gè)分層，分層高度小于h，先開(kāi)采下層礦1 分層，然后依次開(kāi)采上、下礦層2、3、4、5、……，下層礦開(kāi)采過(guò)程中始終超前上層礦1 個(gè)分層，下層礦超前上層礦開(kāi)采高度始終小于h。

圖5 先開(kāi)采下層礦后采上層礦Fig.5 Mining the upper ore after the lower ore

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+15°、a ＞10 m 時(shí)，h ＞8.3 ～13.2 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 時(shí)，h ＞8.9 ～14.8 m。這2 種賦存條件下擾動(dòng)影響高度h 小于分段高度，因此不能按分段開(kāi)采，只能按分層先開(kāi)采下層礦后采上層礦，此時(shí)

m1= 8.3/2.5 = 3.32，

即下層礦開(kāi)采最大可超于上層礦3 個(gè)分層，其中擾動(dòng)影響高度取最小值h=8.3 m，分層高度取為2.5 m。

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 時(shí)，h ＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+15°、a ＞15 m 時(shí)，h ＞19.8 ～57.9 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 時(shí)，h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞20 m 時(shí)，h ＞20.8 ～40 m［7］。這4 種賦存條件下可以按分段或分層開(kāi)采，按分層先開(kāi)采下層礦后采上層礦時(shí)，

m1= 16.2/2.5 = 6.48，

即下層礦開(kāi)采最大可超于上層礦6 個(gè)分層，其中:擾動(dòng)影響高度取最小值，h=16.2 m;分層高度取為2.5 m。

若2 層礦按分段開(kāi)采，分段高度應(yīng)小于16.2 m，下層礦開(kāi)采最大可超于上層礦1 個(gè)分段。

5 結(jié) 論

(1)不同賦存條件下的傾斜—急傾斜多層礦床都可以采用從上至下分層并行開(kāi)采。在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+ 5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 這2 種賦存條件下可以采用從上至下分段并行開(kāi)采。

(2)2 層礦體先開(kāi)采上層礦后采下層礦，階段高度小于H時(shí)，宜先采完上層礦，后開(kāi)采下層礦體;階段高度大于H 時(shí)，只能按分層或分段下向開(kāi)采，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 或γ1為45° ～60°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 這2 種賦存條件下上層礦開(kāi)采最大可超于下層礦11 個(gè)分層或1 個(gè)分段。

(3)2 層礦體先開(kāi)采下層礦后采上層礦，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 15°、a ＞10 m 時(shí)不能按分段開(kāi)采，只能按分層先開(kāi)采下層礦后采上層礦，下層礦開(kāi)采最大可超于上層礦3 個(gè)分層;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a ＞20 m，這2 種賦存條件下層礦開(kāi)采最大可超于上層礦6 個(gè)分層或1 個(gè)分段。

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