崩落采礦轉(zhuǎn)型安全隔離層厚度的確定

摘要：某礦山由無(wú)底柱分段崩落采礦法轉(zhuǎn)型為充填采礦法的過(guò)渡階段，需預(yù)留一定厚度的安全隔離層。采用簡(jiǎn)化梁法理論計(jì)算了隔離層的安全厚度為18.2 m;采用Flac數(shù)值模擬軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)建模并進(jìn)行模擬研究以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，充填前后，采空區(qū)周圍拉應(yīng)力變化較小，基本保持在0.3 MPa以下，而地表應(yīng)力基本沒(méi)有變化。通過(guò)對(duì)地表位移研究發(fā)現(xiàn)，安全隔離層厚度18.2 m時(shí)，滿足安全生產(chǎn)要求。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算值一致，表明該值具有合理性。

關(guān)鍵詞：無(wú)底柱分段崩落采礦法;充填采礦法;安全隔離層厚度;理論計(jì)算;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD853.34文章編號(hào)：1001-1277（2021）11-0049-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20211109

引言

對(duì)于開采過(guò)程中將崩落采礦法更替為充填采礦法的礦山，存在采礦方法過(guò)渡階段。在過(guò)渡期間，為了避免不同采礦方法之間相互影響，或者已有采空區(qū)對(duì)新采礦方法的影響，保證安全生產(chǎn)，需要在過(guò)渡時(shí)期留一定厚度的礦體作為隔離層或隔離礦柱。因此，研究安全隔離層厚度對(duì)井下后續(xù)安全開采作業(yè)具有指導(dǎo)意義。

對(duì)于安全隔離層厚度的研究主要采用理論分析與Flac數(shù)值模擬的方式，例如：張海波等[1]采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段得出采空區(qū)頂板失穩(wěn)的臨界參數(shù);SINGH等[2]采用不同的數(shù)值模擬方法對(duì)地下礦山開采中頂板厚度問(wèn)題進(jìn)行分析研究;劉愛華等[3]采用理論計(jì)算的方式初步估算了頂板穩(wěn)定厚度，并采用Flac數(shù)值模擬軟件建立實(shí)體模擬，精確計(jì)算了頂板失穩(wěn)臨界厚度;劉鵬等[4]針對(duì)合理隔離層厚度留設(shè)問(wèn)題，采用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等7種理論計(jì)算方法綜合確定隔離層厚度，并結(jié)合Flac數(shù)值模擬軟件討論了理論計(jì)算結(jié)果的合理性。張欽禮等[5]采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬得出隔離層的厚度，并采用理論計(jì)算的方式驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。

某礦山在采用無(wú)底柱分段崩落采礦法開采過(guò)程中，存在采礦損失貧化難控制、地表易塌陷等問(wèn)題，擬轉(zhuǎn)型為充填采礦法。因此，采礦方法過(guò)渡期間，需留設(shè)一定厚度的安全隔離層。綜上可知，理論計(jì)算與數(shù)值模擬在隔離層厚度研究中具有合理性，基于此，本文采用理論計(jì)算的方法得到安全隔離層厚度，并采用數(shù)值模擬對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終得出了合理厚度。

1工程背景

該礦山主礦體賦存標(biāo)高580～1 202 m，鉆孔控制主礦體深度最大高差510 m。部分礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上。根據(jù)地表地形條件，上部可采用平硐開拓。礦體為含錫斑巖，圍巖主要是變粒巖，有部分片巖和片麻巖。礦體和圍巖基本完整穩(wěn)固。除局部風(fēng)化帶及個(gè)別破碎帶圍巖塊崩落需進(jìn)行支護(hù)外，一般礦巖中無(wú)不良工程地質(zhì)問(wèn)題。礦巖機(jī)械物理參數(shù)為：礦石密度2.78 t/m3（表內(nèi)錫礦石），巖石密度2.72 t/m3;礦石普氏硬度系數(shù)f=8～12，巖石普氏硬度系數(shù)f=7～14;礦石松散系數(shù)1.5～1.6;礦石自然安息角35°～38°。礦區(qū)所處地勢(shì)高，附近無(wú)大的地表水體，雖然礦體和圍巖屬統(tǒng)一裂隙含水層，礦體埋藏于潛水面以下，但含水層富水性弱，礦體又賦存于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，利于自流排水。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。

該礦山原采用無(wú)底柱分段崩落采礦法回采，由于頂板圍巖完整穩(wěn)固，礦石回采后頂板無(wú)法自然崩落，從而形成了大量的采空區(qū)未處理，雖然礦體和圍巖均較穩(wěn)固，地壓活動(dòng)暫時(shí)不明顯，但給今后生產(chǎn)留下了重大安全隱患。采用無(wú)底柱分段崩落采礦法回采時(shí)，存在采礦損失貧化較難控制、地表易塌陷等問(wèn)題。因此，經(jīng)過(guò)綜合比較，選用充填采礦法進(jìn)行回采，為保證下部礦體回采的安全，在無(wú)底柱分段崩落采礦法開采區(qū)域和充填開采區(qū)域間必須留設(shè)一定厚度的安全隔離層。只有確定合理有效的安全隔離層厚度，才能確保礦山順利完成采礦方法過(guò)渡，并實(shí)現(xiàn)安全高效回采。

2安全隔離層厚度理論計(jì)算

對(duì)于采礦方法轉(zhuǎn)型過(guò)渡時(shí)期的安全隔離層，由于其兩端固定，所以可近似看作板梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合彈性力學(xué)，單位寬度下隔離層受力及彎矩如圖1所示。圖1中各量的關(guān)系見式（1）。

M=112ql2（1）

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果[6-7]，可以得出隔離層板梁的彎矩與應(yīng)力：

M=（γδg+γ′δf）12l2（2）

w=bδ2g6（3）

式中：γ為上覆巖層容重，26.6 kN/m3;γ′為廢石覆蓋層容重（kN/m3），γ′=γ/1.66;δf為廢石層厚度（m）;w為阻力矩截面系數(shù)（m3）;b為梁寬（m）。

由計(jì)算可知，最大彎矩出現(xiàn)在采空區(qū)頂板中心位置，頂板失穩(wěn)許用拉應(yīng)力為：

σ許=Mw=（γδg+γ′δf）2bδ2gl2（4）

式中：σ許為許用拉應(yīng)力（MPa）。

σ許≤σ極nKc（5）

式中：σ極為極限抗拉強(qiáng)度，取4.4 MPa;n為安全系數(shù)，可取1.5～3.0;Kc為結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)。

Kc值受巖石的堅(jiān)固性、裂隙特點(diǎn)及夾層弱面等因素影響，為7～10。該礦山隔離層上部采礦已經(jīng)停止，一般情況下不受外界擾動(dòng)，只有當(dāng)上部采空區(qū)突然坍塌時(shí)才會(huì)造成沖擊擾動(dòng)，形成附加應(yīng)力和動(dòng)態(tài)荷載。因此，結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)仍為7～10。

因此，可根據(jù)上述公式計(jì)算得到頂板安全隔離層厚度，計(jì)算時(shí)取梁寬b=1 m。按兩端固定的厚梁模型計(jì)算安全隔離層厚度，其結(jié)果見表1。

3工程穩(wěn)定性模擬

該礦床賦存標(biāo)高600～1 060 m、3勘探線—12勘探線的礦體采用分期開采，900～1 060 m標(biāo)高礦體為一期開采范圍;600～900 m標(biāo)高礦體為二期開采范圍。中段高度為50 m，井下一期設(shè)1 042 m（回風(fēng)分段）、1 000 m（首采中段，包括1 025 m、1 010 m及1 000 m 3個(gè)分段）、950 m、900 m共4個(gè)中（分）段。1 042～1 060 m設(shè)為隔離層，首采中段為1 000 m中段。

本次模型建立以充填采礦法回采工藝為原型，其參數(shù)為：中段高度50 m，分段高度15 m，采場(chǎng)跨度15 m。在前處理過(guò)程中對(duì)模型中不同單元進(jìn)行分組，并賦予其力學(xué)參數(shù)、初始應(yīng)力及邊界條件。根據(jù)采場(chǎng)實(shí)際開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬，由于實(shí)際開采過(guò)程中，同一中段采場(chǎng)開采時(shí)間非連續(xù)，所以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，即同一中段的采場(chǎng)一次性開挖完成，在時(shí)間上是連續(xù)的。

選擇彈性模型來(lái)計(jì)算初始平衡，摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算后面的變形和破壞。巖體的物理力學(xué)性質(zhì)依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，結(jié)果見表2。

本次分析針對(duì)上述數(shù)學(xué)方法計(jì)算隔離層的最大安全厚度18.2 m進(jìn)行驗(yàn)證。隨著中段采空區(qū)的產(chǎn)生，原始應(yīng)力發(fā)生了釋放及重新分布，圍巖應(yīng)力狀態(tài)隨之發(fā)生了改變，結(jié)果見圖2、圖3，下文對(duì)預(yù)留隔離層情況下，隨開挖過(guò)程的應(yīng)力變化及其分布規(guī)律進(jìn)行分析。

開挖后模型內(nèi)的最小主應(yīng)力分布區(qū)及其大小見圖4。由圖4-a）可知：在1 060 m分段空區(qū)未處理的情況下，1 042 m分段預(yù)留隔離層下采區(qū)未充填前形成采空區(qū)，其周邊圍巖中出現(xiàn)了拉應(yīng)力，多為0.3 MPa以下，少數(shù)單元拉應(yīng)力較大，接近但小于0.8 MPa。上部1 060 m分段采空區(qū)拉應(yīng)力重新分布，且局部有增大趨勢(shì)，接近0.8 MPa。周邊地表拉應(yīng)力的分布見圖4-b）。由圖4-b）可知，在北部周邊出現(xiàn)了拉應(yīng)力，一般為0.4 MPa以內(nèi)，應(yīng)力得到了釋放，這是因?yàn)椴蓤?chǎng)開挖導(dǎo)致地表發(fā)生了位移。假設(shè)1 060 m分段圖3開挖后模型的整體最小主應(yīng)力分布示意圖采空區(qū)充填處理后，開挖后模型內(nèi)的最小主應(yīng)力分布區(qū)及其大小見圖5。由圖5-a）可知，在上部充填后新形成的采空區(qū)周邊圍巖中仍出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力，但變化不大，多為0.3 MPa以下。周邊地表拉應(yīng)力的分布見圖5-b）。由圖5-b）可知，在北部周邊拉應(yīng)力分布區(qū)基本沒(méi)有變化，但量值稍微減小，應(yīng)力進(jìn)一步得到了釋放。

地表三維透視圖見圖6。上部采空區(qū)充填前后預(yù)留隔離層18.2 m情況下開采后的地表位移分布見圖7、圖8。由圖6～8可知：1 060 m分段空區(qū)充填前后1 042 m分段預(yù)留隔離層下采區(qū)開采時(shí)，地表位移量最大值位于采區(qū)中心位置，其位移量均小于1.5 cm;距離采區(qū)中心位置越遠(yuǎn)，位移量越小。

根據(jù)上述分析，預(yù)留隔離層厚度18.2 m的情況下，無(wú)論上部采空區(qū)充填與否，周邊圍巖應(yīng)力變化和地表位移變化都在允許的范圍內(nèi)，因此隔離層厚度18.2 m可以滿足下部安全生產(chǎn)要求。但是，當(dāng)?shù)乇硎艿綌_動(dòng)，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致采空區(qū)產(chǎn)生位移，最后連帶影響隔離層，會(huì)對(duì)下部生產(chǎn)有一定的安全影響[7]，因此雖然上部不充填，預(yù)留18.2 m隔離層是不影響生產(chǎn)的，但為保障安全生產(chǎn)，建議礦山仍應(yīng)盡快進(jìn)行上部采空區(qū)的充填工作。另外，實(shí)際開采中，仍有地層變化、斷層及充填體強(qiáng)度等外在因素，綜合分析認(rèn)為，安全隔離層厚度再適當(dāng)取大，18～20 m為宜。

4結(jié)語(yǔ)

某礦山采礦方法由無(wú)底柱分段崩落采礦法轉(zhuǎn)型為充填采礦法，為了能夠安全有效地度過(guò)過(guò)渡時(shí)期，應(yīng)留設(shè)一定厚度的礦體作為隔離層。采用簡(jiǎn)化梁法對(duì)安全隔離層厚度進(jìn)行理論計(jì)算，得出最佳隔離層厚度為18.2 m。采用Flac數(shù)值模擬軟件對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬演算分析，通過(guò)對(duì)比1 060 m分段采空區(qū)充填前后1 042 m分段以下采場(chǎng)開采后有效主應(yīng)力值可知：充填前后，有效主應(yīng)力變化不大，基本維持在0.3 MPa，但充填后，北部周邊拉應(yīng)力數(shù)值有一定減小。通過(guò)對(duì)比分析1 060 m分段采空區(qū)充填前后的地表位移量發(fā)現(xiàn)，在隔離層厚度為18.2 m時(shí)，充填前后地表位移量整體在1.5 cm以內(nèi)，最大位移發(fā)生在采區(qū)中心位置，隨著與采區(qū)中心距離逐漸增大，整體位移逐漸減小。實(shí)際開采條件下的合理安全隔離層厚度為18～20 m。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]張海波，宋衛(wèi)東，付建新.大跨度空區(qū)頂板失穩(wěn)臨界參數(shù)及穩(wěn)定性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31（1）：66-71.

[2]SINGH G S P，MURTHYV M S R，SINGHU K.Applications of numerical modelling for strata control in mines[J].Geotechnical & Geological Engineering，2010，28（4）：513-524.

[3]劉愛華，董蕾.海水下基巖礦床安全開采頂板厚度計(jì)算方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）：335-340.

[4]劉鵬，趙興東，余斌，等.濱海基巖礦床安全開采合理隔離層厚度的確定[J].有色金屬工程，2020，10（6）：88-96.

[5]張欽禮，陳秋松，胡威，等.露天轉(zhuǎn)地下采礦隔離層研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（11）：33-37.

[6]李地元，李夕兵，趙國(guó)彥.露天開采下地下采空區(qū)頂板安全厚度的確定[C]∥中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì).首屆全國(guó)煤礦安全生產(chǎn)論壇論文集.北京：中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)，2005.

[7]寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于CMS及DIMINE-FLAC3D耦合技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[J].礦業(yè)工程研究，2010，25（1）：31-35.

Determination of the thickness of the safe isolation layer in the transition of caving mining Liu Mingshu

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：During the transition of a mine from pillarless sublevel caving mining method to filling mining method，safe isolation layer of certain thickness need to be reserved.This paper used the simplified beam method to theoretically calculate the safe thickness of isolation layer in the goaf，which is 18.2 m.The Flac numerical simulation software was used to simulate the field model to verify the theoretical calculation results.The research finds that the tensile stress in the goaf is not changed much before and after filling，basically keeping below 0.3 MPa，while the surface stress remains basically the same.Research on the surface displacement shows that production safety is guaranteed when the thickness of safe isolation layer is 18.2 m.The numerical simulation results are consistent with the theoretical calculation results，verifying the reasonability of the value.

Keywords：pillarless sublevel caving mining method;filling mining method;safe thickness of isolation layer;theoretical calculation;numerical simulation

收稿日期：2021-06-18; 修回日期：2021-08-20

作者簡(jiǎn)介：劉明戍（1969—），男，內(nèi)蒙古包頭人，工程師，從事金屬礦山生產(chǎn)管理工作;福建省上杭縣紫金大道1號(hào)，紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，364200;Email：msl1969@126.com