獲各琦銅礦采場(chǎng)頂板次生應(yīng)力與位移特征

蔡曙光

獲各琦銅礦采場(chǎng)頂板次生應(yīng)力與位移特征

蔡曙光

(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾市 015000)

通過(guò)對(duì)上向水平充填法采場(chǎng)頂板進(jìn)行豎直方向應(yīng)力、位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了采場(chǎng)頂板豎直方向次生應(yīng)力與豎直位移特征，研究結(jié)果表明：隨著采場(chǎng)跨度的增大，采場(chǎng)頂板產(chǎn)生離層現(xiàn)象的范圍與豎直方向次生應(yīng)力下降的幅度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。對(duì)于跨度為50 m采場(chǎng)，在距采場(chǎng)頂板11 m以下的礦體產(chǎn)生離層現(xiàn)象可能性大，而對(duì)于跨度為10 m采場(chǎng)，在距采場(chǎng)頂板4 m以下的礦體產(chǎn)生離層現(xiàn)象可能性大。研究成果可為采場(chǎng)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提供重要現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)。

獲各琦銅礦;上向水平充填法;頂板離層;監(jiān)測(cè)

0 引 言

充填法由于其礦石損失率低，作業(yè)相對(duì)安全，能夠較好的保護(hù)環(huán)境，其應(yīng)用的比例呈逐年上升的趨勢(shì)。上向水平充填法作為充填法的一種，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞上向水平充填法開(kāi)展了相對(duì)廣泛的研 究[1-6]。王偉[1]等以數(shù)值模擬為手段，研究了司家營(yíng)礦區(qū)采用上向水平充填法時(shí)地表變形的規(guī)律。羅瑞[6]等采用Mathew穩(wěn)定圖法分析了上向水平充填法最大安全跨度。楊悅憎[3]、張?chǎng)4]、鐘杰[5]、占 飛[6]等研究了充填體作用機(jī)理與采場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題。成德新[7]探索了上向水平充填法充填工藝改進(jìn)方法。顧生春[8]等探索了上向水平分層充填法在哈圖金礦的應(yīng)用。彭青生[9]與筆者[10]分析了獲各琦銅礦上向水平充填法采場(chǎng)頂板冒落的原因與分段高度。

在上向水平充填法中，采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性在一定程度上決定了生產(chǎn)安全。本文以獲各琦銅礦上向水平充填法采場(chǎng)頂板為研究對(duì)象，以現(xiàn)場(chǎng)豎直應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)為研究手段，對(duì)比分析不同采場(chǎng)跨度條件下，采場(chǎng)頂板豎直方向次生應(yīng)力與位移的特征。在此基礎(chǔ)上，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的采場(chǎng)頂板采場(chǎng)發(fā)生離層的范圍。研究成果可為礦山采場(chǎng)頂板支護(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，同時(shí)也可為類似礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。

1 采礦方法簡(jiǎn)介

獲各琦銅礦主要采用上向水平分層充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，中段高60 m，分段高10 m，分層高3.3 m。中段開(kāi)采順序?yàn)橹醒胂騼梢砬斑M(jìn)式開(kāi)采。對(duì)于頂板較好的采用整體上采，采場(chǎng)跨度為50 m。相應(yīng)的對(duì)于頂板穩(wěn)定性差的采用10 m小跨度兩步驟進(jìn)行回采。其中，首分層采用灰砂比為1?4的充填體整體充填，其他分層采用1?4、1?8與1?12充填體交替充填，充填高度分別為0.5，0.5 m與2.3 m（見(jiàn)圖1）。

圖1 非首充層充填

2 采場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方式

本文采用GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)與YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測(cè)儀，用于采集礦體回采過(guò)程中頂板位移與應(yīng)力數(shù)據(jù)。其中，GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)用于采集回采過(guò)程中，礦巖豎起方向次生應(yīng)力值。YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測(cè)儀有深、淺2個(gè)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)，它們均可采集不同深度礦巖絕對(duì)位移值。如果2個(gè)位移傳感器在同一時(shí)間采集的數(shù)值不同，則兩數(shù)值的差值則為兩傳感器沿鉆孔方向離層值。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

本文選取采場(chǎng)跨度為分別為50 m與10 m的采場(chǎng)為研究對(duì)象，用于對(duì)比分析不同采場(chǎng)跨度條件下采場(chǎng)頂板位移與應(yīng)力變化特征。GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)與YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測(cè)儀均布置于充填回風(fēng)巷中。其中，用于安裝GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)的水平鉆孔孔徑為45 mm，孔深為5 m。用于安裝YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測(cè)儀的豎直鉆孔孔徑為80 mm，孔深為5 m。其中，深基點(diǎn)安裝于孔底，淺基點(diǎn)安裝于距深基點(diǎn)2.5 m處。測(cè)點(diǎn)安裝布置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)安裝布置

3 結(jié)果分析

選擇52011采場(chǎng)與520031-3采場(chǎng)為研究對(duì)象，以上兩采場(chǎng)位于1520 m中段。其中，52011采場(chǎng)跨度50 m，頂板暴露面積約754 m2。520031-3采場(chǎng)跨度10 m，頂板暴露面積約287 m2。

圖3給出了52011采場(chǎng)頂板離層儀深基點(diǎn)與淺基點(diǎn)位移曲線。從圖3可看出：52011采場(chǎng)自2018年1月20日采場(chǎng)頂板距深基點(diǎn)的距離由11 m減小為8 m。自2018年1月25日深基點(diǎn)位移值由2.18 mm緩慢增長(zhǎng)至2018年2月2日2.33 mm；之后，快速增長(zhǎng)至2018年2月12日4.97 mm。與此相對(duì)應(yīng)，淺基點(diǎn)于2018年2月10日0.004 mm增長(zhǎng)至2018年2月11日位移1.97 mm。

由圖3可知，下覆礦體開(kāi)挖后，深基點(diǎn)響應(yīng)時(shí)

圖3 52011采場(chǎng)頂板位移曲線

間早于淺基點(diǎn)。同時(shí)，深基點(diǎn)位移顯著增長(zhǎng)歷時(shí)為10 d，大于淺基點(diǎn)位移顯著增長(zhǎng)2 d。由于下覆礦體開(kāi)挖后，深基點(diǎn)位移增量大于淺基點(diǎn)位移增量。結(jié)合深、淺基點(diǎn)距頂板距離可知：在距采場(chǎng)頂板8 m與11 m之間巖體已發(fā)生離層現(xiàn)象，其位移值約為0.67 mm。通過(guò)淺基點(diǎn)位移在2018年2月10之前，其位移數(shù)值近似為0，說(shuō)明對(duì)于類似于52011跨度為50 m的采場(chǎng)，下覆礦體開(kāi)挖后，其擾動(dòng)范圍距采場(chǎng)頂板高度應(yīng)大于8 m但小于11 m。

圖4給出了520031-3采場(chǎng)板離層儀深基點(diǎn)與淺基點(diǎn)位移曲線。從圖4可看出：采場(chǎng)頂板離深基點(diǎn)為5.0 m時(shí)，深、淺基點(diǎn)位移值基本相等，位移值約為1.0 mm。采場(chǎng)頂板離深基點(diǎn)為11 m時(shí)，深基點(diǎn)出現(xiàn)2次相對(duì)明顯的增長(zhǎng)，其中2017年12月30日至2018年1月6日歷時(shí)6 d，位移由1.0 mm增大為3.0 mm。而后，其數(shù)值增至3.97 mm，位移增量約2.97 mm。對(duì)淺基點(diǎn)而言，2018年1月4日至2018年1月6日歷時(shí)2 d位移由1.0 mm增大為2.0 mm，位移增量約1.00 mm。當(dāng)頂板距深基點(diǎn)為2 m時(shí)，此時(shí)，深基點(diǎn)標(biāo)高低于頂板標(biāo)高。深基點(diǎn)在2018年2月7日至2018年2月6日，位移值由3.97 mm增大至6.02 mm；對(duì)淺基點(diǎn)而言，2018年2月10至2018年2月12歷時(shí)2 d，位移值由2.00 mm增至3.97 mm，隨后在2018年3月17日再次增長(zhǎng)至5.12 mm。

圖4 520031-3采場(chǎng)頂板位移曲線

由圖4可知，對(duì)于類似520031-3采場(chǎng)跨度為10 m的采場(chǎng)，下覆礦體開(kāi)挖后，距采場(chǎng)頂板5~8 m會(huì)產(chǎn)生一定的位移，但產(chǎn)生層離現(xiàn)象可能性小，產(chǎn)生層離的范圍應(yīng)在1~4 m，并且位移增長(zhǎng)歷時(shí)隨著距頂板距離的減小而增大。

從圖5~圖6可以看出：下覆礦體開(kāi)挖后是一下時(shí)間范圍內(nèi)，豎直次生應(yīng)力存在一相對(duì)明顯增大過(guò)程，隨后其數(shù)值隨時(shí)間的增大而減小。其中，52011采場(chǎng)在2018年1月25日至2018年1月31日，其數(shù)值從1.59 MPa增大為1.90 MPa。520031-3采場(chǎng)在2018年2月3日至2018年2月5日，其數(shù)值從0.54 MPa增大為0.6 MPa。其原因一方面在于礦體開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布的影響。另一方面，根據(jù)頂板離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：下覆礦體開(kāi)挖后，在應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方礦體將產(chǎn)生一定量的豎直向下的位移，從而導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)受力減小。從應(yīng)力下降幅度來(lái)看，即使52011采場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)距采場(chǎng)頂板的距離大于520031-3采場(chǎng)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力下降幅度也大于520031-3采場(chǎng)。

圖5 52011采場(chǎng)頂板豎直應(yīng)力曲線

圖6 520031-3采場(chǎng)頂板豎直應(yīng)力曲線

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于跨度為50 m的采場(chǎng)，在下覆開(kāi)采過(guò)程中，礦體產(chǎn)生離層現(xiàn)象的最大范圍應(yīng)在距采場(chǎng)頂11 m之間礦體。

（2）對(duì)于跨度為10 m的采場(chǎng)，在下覆開(kāi)采過(guò)程中，礦體產(chǎn)生層離層現(xiàn)象的最大范圍應(yīng)在距采場(chǎng)頂板4 m之間的礦體。

（3）采場(chǎng)頂板豎直方向的次生應(yīng)力，隨著采場(chǎng)采高的增大總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并且隨著采場(chǎng)跨度的增大，次生應(yīng)力下降的幅度增大。

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(2019-08-21)