基于量綱分析的金屬礦山覆巖垮落高度預(yù)測(cè)研究

藏振華，余 旸

（新巴爾虎右旗榮達(dá)礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021300）

1 金屬礦山覆巖垮落高度概述

礦山覆巖垮落高度其實(shí)就是指采空區(qū)覆巖破壞高度的一部分內(nèi)容，而覆蓋巖的脫落過程中會(huì)積攢一定的動(dòng)能，當(dāng)落地時(shí)會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備、工作人員以及工作環(huán)境造成一定的破壞，因此加強(qiáng)對(duì)垮落高度預(yù)測(cè)研究十分有必要。

2 量綱分析概述

所謂的量綱分析其實(shí)就是一種專用的數(shù)學(xué)模型，該種數(shù)學(xué)模型是基于物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建而成的，充分的依托量綱齊次原則，然后在上述基礎(chǔ)之上對(duì)工程中涉及的各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行關(guān)系分析[1]。

現(xiàn)如今量綱分析法已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)如今正在嘗試的應(yīng)用于金屬礦山覆巖垮落高度預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域[2，3]。

3 金屬礦山采空區(qū)覆巖破壞高度影響因素分析

3.1 采礦方法和礦體厚度

不同的采礦工藝方法會(huì)對(duì)礦區(qū)采空區(qū)覆蓋巖產(chǎn)生不同程度的影響，尤其是覆巖破壞高度變化規(guī)律十分的難控制和測(cè)量，業(yè)內(nèi)經(jīng)常會(huì)采用充填采礦法來對(duì)其進(jìn)行有效處理，在某些特殊情況下也會(huì)采用崩落采礦法處理，但是由于該種方法會(huì)對(duì)巖層造成一定的破壞，因此實(shí)際采礦工程中應(yīng)用的比較少。

3.2 開采深度和構(gòu)造應(yīng)力

礦山的開采深度與構(gòu)造應(yīng)力之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。通常情況下，伴隨著開采深度的持續(xù)增加，金屬礦山采空區(qū)覆巖所承受的自重力以及支撐力會(huì)越來越大，而且整個(gè)礦井的構(gòu)造應(yīng)力分布情況也越來越復(fù)雜，而上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況與整個(gè)礦井覆巖破壞情況以及破壞規(guī)律之間存在著密切的關(guān)聯(lián)性。

3.3 采空區(qū)尺寸

大量工程實(shí)例數(shù)據(jù)表明，采空區(qū)的尺寸與采空區(qū)覆巖破壞情況之間也存在著密切的關(guān)系，采空區(qū)的尺寸與上覆巖體破壞的高度和冒落發(fā)生系數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系，通常情況下，覆巖破壞區(qū)的塑性區(qū)高度會(huì)隨著采空區(qū)工作面最小長(zhǎng)度的增加而增加。

3.4 覆巖巖性與結(jié)構(gòu)

覆巖的基本特性也是影響其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，而且通常巖層的硬度值越高其穩(wěn)定性越優(yōu)良，而巖層的物理性能一般情況下與其自身的基本特性有關(guān)，但是在巖石發(fā)生碎裂之后會(huì)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行一定的填充，所以這也會(huì)在一定程度上阻止整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞。

3.5 覆巖斷層結(jié)構(gòu)

金屬礦山覆巖的斷層結(jié)構(gòu)也是影響覆巖的重要影響因素，在日常的開采工作過程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生一系列的斷裂坍塌，這些開采病害會(huì)延伸至地表，進(jìn)而形成塌陷坑。若斷層的寬度較小，則裂縫會(huì)在后續(xù)的過程中逐漸的進(jìn)行膠結(jié)，那么自然也就不會(huì)對(duì)覆巖造成傷害，反之則會(huì)滋生一系列的斷面滑動(dòng)病害。

3.6 時(shí)間效應(yīng)

通過對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行分析得知，時(shí)間效應(yīng)也會(huì)對(duì)金屬礦山采空區(qū)覆巖破壞高度造成一定的影響，而且對(duì)邊界上覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行分析研究的過程中，黏彈塑性分析過程中的時(shí)間值輸入也再次驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。

4 工程案例分析

4.1 量綱分析模型分析計(jì)算公式

根據(jù)量綱分析模型分析計(jì)算的得出的關(guān)系公式：

其中H為巖體垮落高度，d為礦體的厚度，σ為構(gòu)造應(yīng)力值，S為采空區(qū)尺寸，γ表示巖石的重度值，K表示巖石的松散系數(shù)，f表示覆巖的硬度系數(shù)值，下文將結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行真實(shí)分析驗(yàn)證。

4.2 工程實(shí)例驗(yàn)證分析

選取了安徽某金屬礦作為研究對(duì)象，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算分析。經(jīng)調(diào)查得知，礦內(nèi)的主要貯藏礦種以金和硫?yàn)橹?，礦床主要呈現(xiàn)出兩個(gè)大的礦體，礦體走向均呈60°左右，傾斜角在15°～20°之間，礦藏的基本厚度在6m～8.5m范圍之內(nèi)，平均值在7.2m左右，平均標(biāo)高值基本在180m左右浮動(dòng)，礦體主要以花崗巖和硅質(zhì)巖為主，因此覆巖的硬度系數(shù)值選取15～17左右。在工程的實(shí)際開采過程中地下-500m處的采空區(qū)高度約為6.5m，通過實(shí)際測(cè)量分析采空面積約為412㎡左右，通過計(jì)算得出金礦覆巖垮落高度值大概為6.3m～6.5m之間。

4.3 綜合對(duì)比分析

通過查閱上述研究對(duì)象的工程實(shí)際數(shù)據(jù)得知，該金屬礦的實(shí)際測(cè)值為6.87m，通過就該案例的量綱分析方法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析測(cè)算的金礦覆巖垮落高度值誤差值大約在5%～8%左右，雖然數(shù)據(jù)不是精準(zhǔn)無誤，但是其卻能夠應(yīng)用于金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度的計(jì)算分析，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考借鑒價(jià)值。

5 結(jié)語

綜上所述，無論是出于確保我國(guó)采礦行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，還是出于采礦行業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)考慮，加強(qiáng)對(duì)金屬礦山采空區(qū)覆巖垮落高度測(cè)量的精準(zhǔn)性分析研究都十分有必要。希望本文能夠更好的為我國(guó)礦業(yè)行業(yè)服務(wù)，最終有效的提升我國(guó)的量綱分析以及礦產(chǎn)開采技術(shù)水平。