李家溝礦區(qū)超前開(kāi)采安全技術(shù)要素分析

劉武團(tuán) 張海磊 王成財(cái) 趙麗軍 孫 嘉

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團(tuán)股份有限公司廠壩鉛鋅礦，甘肅 隴南 742504)

李家溝礦區(qū)超前開(kāi)采安全技術(shù)要素分析

劉武團(tuán)1張海磊1王成財(cái)1趙麗軍2孫 嘉1

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團(tuán)股份有限公司廠壩鉛鋅礦，甘肅 隴南 742504)

由于被迫在覆蓋巖下放礦和礦體中夾石的大量存在，廠壩鉛鋅礦李家溝礦區(qū)出礦品位持續(xù)低迷；礦區(qū)902 m中段礦體品位高且賦存完整，超前回采該區(qū)域富礦可有效提升李家溝礦區(qū)出礦品位。根據(jù)902 m中段工程地質(zhì)和礦體賦存特征，運(yùn)用Mathews穩(wěn)定圖法，優(yōu)化了采場(chǎng)極限暴露面積和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在對(duì)采空區(qū)塌陷大面積連鎖冒落效應(yīng)致災(zāi)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，建立了地下開(kāi)挖工程圍巖系統(tǒng)的協(xié)同承載作用突變模型，分析了超前開(kāi)采區(qū)域礦柱和頂板的穩(wěn)定性，并提出了采空區(qū)嗣后充填和建立地監(jiān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全措施。實(shí)踐結(jié)果表明：結(jié)合Mathews穩(wěn)定圖法和有限元軟件分析，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證和決策，為李家溝礦區(qū)902 m中段超前回采提供安全保障。

超前回采 Mathews穩(wěn)定圖法 暴露面積 連鎖效應(yīng) 采空區(qū)穩(wěn)定性

廠壩鉛鋅礦是禮縣柞水成礦帶西成礦田中的一個(gè)大型鉛鋅礦床，由李家溝等4個(gè)礦區(qū)組成。民采破壞和長(zhǎng)期空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采形成了大量采空區(qū)，部分礦房頂板垮塌，1 082 m及以上中段被迫在覆蓋巖下出礦，加上目前回采的礦體中存在大量夾石，李家溝礦區(qū)出礦品位持續(xù)低迷?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，李家溝礦區(qū)902 m中段礦體品位高，賦存相對(duì)完整。經(jīng)多方論證，決定超前回采該區(qū)域富礦，以有效提升出礦品位。為保證生產(chǎn)安全，需要對(duì)李家溝礦區(qū)超前回采區(qū)域進(jìn)行安全性分析[1]。

1 李家溝礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

李家溝礦區(qū)位于西秦嶺海西褶皺帶東段，岷縣復(fù)背斜軸部；由于構(gòu)造及成礦原因，巖層片理普遍發(fā)育，巖體各向異性明顯。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

從室內(nèi)力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，李家溝礦區(qū)礦巖硬且脆，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后很快破壞，破壞時(shí)發(fā)出響聲，碎片四處飛散[2]。902 m中段超前回采區(qū)域礦巖力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 李家溝礦區(qū)902 m中段礦巖力學(xué)性質(zhì)

1.2 礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀

Ⅰ、Ⅲ2礦體為李家溝礦區(qū)主要礦體，均為急傾斜礦體。Ⅰ號(hào)礦體平均厚度為21 m，采用分段鑿巖階段空?qǐng)龇ɑ夭?；?礦體平均厚度為5.3 m，采用淺孔留礦法。

目前，李家溝礦區(qū)1 022 m及以上中段正在實(shí)施回采； 962 m、902 m開(kāi)拓工程均已完畢。

2 采場(chǎng)極限暴露面積與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在礦體回采過(guò)程中，采場(chǎng)和采空區(qū)的頂板往往因?yàn)楸┞睹娣e過(guò)大而冒落。因此，需要確定902 m中段礦體極限暴露面積和優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保采場(chǎng)穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。

2.1 Mathews穩(wěn)定圖法的確定采場(chǎng)極限暴露面積

Mathews穩(wěn)定圖法[3-7]是Mathews等人在NGI法的基礎(chǔ)上提出的，實(shí)質(zhì)為采場(chǎng)暴露面形狀系數(shù)S與巖體穩(wěn)定性指標(biāo)N之間的關(guān)系。根據(jù)巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，在穩(wěn)定性圖表上求出采場(chǎng)總體穩(wěn)定的形狀系數(shù)S；初選采場(chǎng)某一結(jié)構(gòu)參數(shù)后，即可確定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與暴露面積。圖1為Potvin修正后的Mathews穩(wěn)定圖。

圖1 Potvin修正后的Mathews穩(wěn)定圖

2.1.1 Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算

(1)穩(wěn)定性指數(shù)N。

(1)

式中，Q為巖體質(zhì)量指標(biāo)；A為巖石應(yīng)力參數(shù)；B為節(jié)理適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)；C為重力調(diào)節(jié)參數(shù)。

(2)巖體質(zhì)量指標(biāo)Q。

(2)

式中，R為巖體質(zhì)量系數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度；Jw為節(jié)理裂隙水折減系數(shù)；Jn為節(jié)理組數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變、充填及膠結(jié)程度；Sf為應(yīng)力折減系數(shù)。

根據(jù)李家溝礦區(qū)工程地質(zhì)及礦體賦存特征，式(2)中各參數(shù)取值為：R=81，Jr=4，Jw=1，Jn=5，Ja=1，Sf=1。計(jì)算可得Q=64.8。

(3)應(yīng)力系數(shù)A。

(3)

式中，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σi為次生壓應(yīng)力。取A=1.0.

(4)節(jié)理適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)B。是度量影響采場(chǎng)穩(wěn)定的傾斜的采場(chǎng)表面和關(guān)鍵節(jié)理組相對(duì)不同的參數(shù)，可依據(jù)相關(guān)資料[3]選取。該礦取B=0.9。

(5)重力調(diào)節(jié)系數(shù)C。

(4)

式中,α為頂板水平向傾角，取α=0°，即C=1.0。

(6)采場(chǎng)形狀系數(shù)。任何暴露面均可認(rèn)為由2個(gè)相互垂直的跨度組成，則定義采場(chǎng)形狀系數(shù)S為

(5)

式中,L為采場(chǎng)寬度(采場(chǎng)沿走向布置時(shí)，一般取礦體厚度)，m；L1為采場(chǎng)長(zhǎng)度，m。

Q=64.8，A=1.0，B=0.9，C=1.0時(shí)，N=58.3。結(jié)合圖1，查得N=58.3時(shí)，采場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)的采場(chǎng)形狀系數(shù)S為9.6。

2.1.2 結(jié)果分析

李家溝礦區(qū)Ⅰ號(hào)礦體平均厚度為21 m，當(dāng)采場(chǎng)形狀系數(shù)S=9.6時(shí)，計(jì)算得L1=224 m。即當(dāng)902 m中段采用無(wú)間柱連續(xù)采礦時(shí)，礦房極限跨度為224 m，此時(shí)采場(chǎng)暴露面積為4 704 m2。

根據(jù)以上分析，確定李家溝礦區(qū)超前回采范圍為902 m中段71～79線Ⅰ、Ⅲ2礦體，超前回采區(qū)域間距200 m，暴露面積4 050 m2，對(duì)照Mathews穩(wěn)定圖表，超前回采區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 902 m中段采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

902 m中段超前回采采用空?qǐng)霾傻V法，礦塊長(zhǎng)50 m、高60 m，間柱厚8 m；擬留上部一定厚度的礦體作為安全隔離層，待采空區(qū)處理后回收。

借助FLAC3D軟件，對(duì)不同厚度隔離層的安全性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，采場(chǎng)最大應(yīng)力和應(yīng)變均與隔離層厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，具體見(jiàn)圖2。同時(shí)考慮隔離層占礦塊的礦量比例，隔離層厚度不應(yīng)超過(guò)15 m；隔離層厚度為10 m、15 m時(shí)，采場(chǎng)最大應(yīng)力、應(yīng)變相差不大；確定隔離層合理厚度為10 m。

圖2 不同隔離層厚度采場(chǎng)應(yīng)力及位移

3 李家溝礦區(qū)超前回采安全性分析

礦區(qū)暫未建成充填系統(tǒng)，902 m中段超前回采區(qū)域空區(qū)擱置時(shí)間無(wú)法確定。為避免空?qǐng)鲩L(zhǎng)期擱置造成礦房垮塌，需要進(jìn)一步分析該中段礦柱-頂板組成的采空區(qū)群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 采空區(qū)冒落的連鎖效應(yīng)

空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采以留設(shè)礦柱的方式維護(hù)空間穩(wěn)定，如果礦柱強(qiáng)度不夠或分布不合理，單一礦柱的破壞足以引起礦區(qū)頂板連續(xù)大面積垮塌，不僅損失資源，還影響安全生產(chǎn)。

采空區(qū)塌陷的連鎖效應(yīng)是一種由局部礦柱破壞引發(fā)的頂板荷載傳遞和礦柱連鎖式破壞，最終導(dǎo)致大面積塌陷災(zāi)害的現(xiàn)象[8]。如圖3所示，3號(hào)礦柱被壓垮，其承載力轉(zhuǎn)移給相鄰的2、4號(hào)礦柱，導(dǎo)致2、4號(hào)礦柱破壞；2、4號(hào)礦柱破壞后，1、5號(hào)礦柱額外承擔(dān)了2、4號(hào)礦柱擔(dān)負(fù)的荷載，也產(chǎn)生破壞；最終當(dāng)足夠多的礦柱發(fā)生失穩(wěn)，頂板將發(fā)生大面積瞬時(shí)切冒型塌陷的突變。

圖3 采空區(qū)塌陷的連鎖效應(yīng)示意

3.2 李家溝礦區(qū)超前回采安全性分析

礦區(qū)902 m中段部分區(qū)域超前開(kāi)采時(shí)，勢(shì)必會(huì)干擾周圍巖層應(yīng)力場(chǎng)，引起應(yīng)力的重新分布，使巖體產(chǎn)生移動(dòng)變形和破壞；隨著采礦工作的推進(jìn)，這一過(guò)程將不斷重復(fù)。在空區(qū)圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用Phase2有限元軟件[9]建立地下開(kāi)挖工程圍巖系統(tǒng)的協(xié)同承載作用突變模型(從略)，對(duì)902 m中段71～79線礦體超前回采所形成的二次應(yīng)力擾動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，由于李家溝礦區(qū)礦巖穩(wěn)固性較好，且超前回采區(qū)域范圍不大，902 m中段71～79線礦體超前回采對(duì)1 022 m及以上中段影響較?。怀盎夭蓞^(qū)域采空區(qū)長(zhǎng)期擱置后不會(huì)發(fā)生采空區(qū)連鎖式大面積冒落。

圖4 二次應(yīng)力擾動(dòng)后李家溝礦區(qū)礦巖移動(dòng)規(guī)律

3.3 超前回采安全技術(shù)措施

(1)建立地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)礦柱、頂板等重點(diǎn)工程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵部位需進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。

(2)從礦區(qū)上下中段協(xié)同開(kāi)采角度出發(fā)，采用合理的地壓控制與采空區(qū)嗣后充填技術(shù)，減小902 m中段超前回采區(qū)域巖層移動(dòng)帶范圍，確保上部中段的正?；夭伞?/p>

(3)根據(jù)礦區(qū)采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)與巖層移動(dòng)規(guī)律，結(jié)合地壓監(jiān)測(cè)和902 m中段超前區(qū)域“三帶”范圍，優(yōu)化礦區(qū)1 022 m及以上中段采礦布局、回采順序等。

4 超前回采的實(shí)施

通過(guò)以上分析，只要控制好200 m的超前回采區(qū)域范圍，保證10 m的隔離層厚度，實(shí)施相關(guān)的安全技術(shù)措施，李家溝902 m中段71～79線礦體超前回采安全可行。

(1)2012年3月，李家溝礦區(qū)902 m中段71～79線礦體超前回采開(kāi)始實(shí)施，該區(qū)域已累計(jì)采出高品位礦石30萬(wàn)t，礦區(qū)品位指標(biāo)提升了12%。

(2)近3 a的實(shí)踐表明，902 m中段超前回采區(qū)域礦柱、頂板應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)良好，未發(fā)生一起安全事故。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)結(jié)合Mathews穩(wěn)定圖法與FLAC3D軟件，優(yōu)化了采場(chǎng)極限暴露面積與結(jié)構(gòu)參數(shù)；利用Phase2軟件建立地下開(kāi)挖工程圍巖系統(tǒng)的協(xié)同承載作用突變模型，分析了采空區(qū)冒落的連鎖效應(yīng)，介紹的方法可為國(guó)內(nèi)外礦山解決類似問(wèn)題提供一條新的思路。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，李家溝礦區(qū)902 m中段71～79線礦體超前開(kāi)采方案安全可靠，為礦山產(chǎn)能及礦石品位的提升創(chuàng)造了條件。

[1] 閆長(zhǎng)斌,徐國(guó)元,李夕兵.爆破震動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響的FLAC3D分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(16)：2894-2899. Yan Changbin，Xu Guoyuan，Li Xibing.Stability analysis of mined-out areas influenced by blasting vibration with FLAC3D[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005(16):2894-2899.

[2] 尹賢剛,李庶林,唐海燕,等.廠壩鉛鋅礦巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2003(5):12-13. Yin Xiangang，Li Shulin，Tang Haiyan，et al.The tests and studies of the physical mechanical properties of the rocks from Changba Lead-zinc Mine[J].Mining Research and Development,2003(5):12-13.

[3] Brady B H G，Brown E T．Rock Mechanics for Underground Mining：Second Edition[M].London:Chapama & Hall，1993．

[4] 郭 然,于潤(rùn)滄,張文榮.Mathew法在采礦方法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].金屬礦山,1999(9):22-25. Guo Ran，Yu Runcang，Zhang Wenrong.The application of Mathew method in mining method designing[J].Metal Mine,1999(9):22-25.

[5] 徐坤明,程永民,姜麗穎,等.用Mathew法確定侯莊礦區(qū)礦房的結(jié)構(gòu)參數(shù)[J].冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè),2001(2):1-3. Xu Kunming，Cheng Yongmin，Jiang Liying，et al.Determination of structural parameters of stope of Houzhuang mine with Mathew method[J].Metal Mine Design and Construction,2001(2):1-3.

[6] 黃英華,徐必根,吳亞斌.基于Mathew穩(wěn)定圖的采場(chǎng)頂板持續(xù)冒落臨界閥值研究[J].中國(guó)礦業(yè),2012(2):122-124. Huang Yinghua，Xu Bigen，Wu Yabin.The study on the critical value of stope roof continuous collapse Based upon Mathew stability graph[J].China Mining Magazine,2012(2):122-124.

[7] 甯瑜琳,胡建華.緩傾斜薄礦體采場(chǎng)極限暴露面積與參數(shù)優(yōu)化[J].礦冶工程,2014(1):14-17. Nin Yulin，Hu Jianhua.Maximum exposed area of stope with gently inclined thin ore-body and parameters optimization[J].Mining and Metallurgical Engineering,2014(1):14-17.

[8] 馬海濤，賀紅生,付士根.采空塌陷影響因素及穩(wěn)定性分級(jí)方法研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008(5):37-41. Ma Haitao，He Hongsheng，F(xiàn)u Shigen.Study on factors and classifying method of goaf stability[J].Journal of Safety Science and Technology,2008(5):37-41.

[9] 劉武團(tuán),趙 奎,胡京濤,等.某鐵礦礦柱回采安全性研究[J].金屬礦山,2014(8):162-165. Liu Wutuan，Zhao Kui，Hu Jingtao，et al.Stability of pillars recovery in an iron mine[J].Metal Mine，2014(8):162-165.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Analysis of Safety Technology Factor of Advanced Mining in Lijiagou Mine Area

Liu Wutuan1Zhang Hailei1Wang Chengcai1Zhao Lijun2Sun Jia1

(1.NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China;2.ChangbaLead-zincMineofBNMC，Longnan742504，China)

Due to be forced to make ore drawing under surrounding rock and large number of waste rock in ore-body，ore grade in Lijiagou Mining Area of Changba Lead-zinc Mine remains at a low level.The ore-body in 902 m level owns a higher grade and is under an intact occurrence state.Advanced mining of the rich ore in this area can effectively enhance the ore-drawing grade of Lijiagou mining area.According to the engineering geology and the ore body occurrence characteristics in 902 m level，the limit exposed area of the stope and structural parameters are optimized by Mathews stability chart method.Based on the disaster mechanism analysis of goaf collapse ripple effect，the synergistic bearing effect catastrophe model of underground excavation rock system is established，and the stability of pillars and roof in advanced mining region is analyzed.Meanwhile，safety measures including goaf subsequent filling and ground surveillance monitoring system are proposed.Practical results show that：the combination of Mathew stability chart method and the finite element software，data's mutual authentication and decision-making can be achieved，which provides security for advanced mining at 902m of middle section in Lijiagou Mining Area.

Advanced mining，Mathews stability chart method，Exposed area，Ripple effect，Stability of goaf

2014-11-09

劉武團(tuán)(1969—)，男，高級(jí)工程師。

TD325+803

A

1001-1250(2015)-03-169-04