復雜地形下緩傾斜磷礦床條帶充填分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)

姚 囝 李鵬程 王其虎 葉義成，2 孫麗軍 鄧興敏 張 瑩

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430081；2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430081；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山243000）

我國現(xiàn)階段正處于工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵時刻，磷礦資源需求量逐年攀升［1］。但國內(nèi)磷礦資源“豐而不富”，且主要集中分布在高山河谷地區(qū)，礦體呈緩傾斜層狀產(chǎn)出，存在地下采場應力不均勻和頂板暴露面積大等問題，易誘發(fā)地表山體滑坡、河床下沉、地下采空區(qū)塌陷、巖爆等災害［2-3］；其次，區(qū)域內(nèi)以房柱法開采為主，礦柱難以有效回收，資源浪費嚴重。針對采礦條件惡劣、資源利用率低的現(xiàn)狀，如何實現(xiàn)復雜地形下緩傾斜礦體安全高效開采是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

充填法具有地表擾動強度小、資源利用率高等特點，可運用于復雜地形下礦床開采［4］，然而充填料凝期長、充填速度慢制約著礦山高效開采，只有當采充能力相協(xié)調(diào)時，才能達到高效生產(chǎn)的目標［5］。陳慶發(fā)等［6-8］提出的“協(xié)同開采”理念認為采場結(jié)構(gòu)或回采工作兩個方面具備合作、協(xié)調(diào)與同步等協(xié)同屬性，在國內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域得到了一定的運用。聶興信等［9］基于“協(xié)同開采”理念開展了急傾斜薄礦脈集群連續(xù)化回采工藝研究，提出了間隔臺階式連續(xù)回采順序，確保多礦脈同時回采能夠安全有序進行；范曉明等［10］對大孤山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下協(xié)同開采方法進行了研究，有效縮減了生產(chǎn)周期，解決了過渡時期安全生產(chǎn)條件差和產(chǎn)能銜接困難等技術(shù)問題；任鳳玉等［11］針對弓長嶺鐵礦常規(guī)充填法產(chǎn)能低、經(jīng)濟效益差等問題，提出露天地下協(xié)同采充方法，將露天剝離廢石就近充填塌陷坑，大幅度釋放了露天開采產(chǎn)能；白二虎等［12］將條帶開采與充填開采的優(yōu)勢相結(jié)合，提出了“條帶留巷部分充填”的協(xié)調(diào)開采方法，通過理論分析與數(shù)值模擬論證了開采方法的合理性；楊馳等［13］建立的露天礦多采區(qū)協(xié)同開采資源配置優(yōu)化模型，孫麗軍等［14］提出的一種井下雙采場協(xié)同開采方法，孫會熙等［15］提出的釩鐵礦分區(qū)協(xié)同開采優(yōu)化方案，均有效提高了礦山生產(chǎn)效率。以上研究表明，“協(xié)同開采”不僅是以確保礦山生產(chǎn)安全、提高礦山生產(chǎn)效率為導向，還能實現(xiàn)復雜工況下的礦山協(xié)調(diào)開采，這對于復雜地形下的緩傾斜礦床開采具有一定的借鑒意義。

為了系統(tǒng)性研究復雜地形下緩傾斜礦床安全高效開采技術(shù)，引入“協(xié)同開采”理念，以宜昌某磷礦區(qū)為工程背景，針對地應力不均勻分布特征，構(gòu)建高低應力分區(qū)采場結(jié)構(gòu)，進而提出條帶充填分區(qū)協(xié)同開采方法；通過物理相似模擬試驗探究協(xié)同回采過程中圍巖變形特征及其演化規(guī)律，分析采場圍巖礦柱的承載特征，對采場充填模式進一步優(yōu)化，最終實現(xiàn)安全、高效且經(jīng)濟的采礦目標，為實現(xiàn)礦山分區(qū)協(xié)同開采提供有益參考。

1 條帶充填分區(qū)協(xié)同開采工藝

1.1 工程地質(zhì)概況

宜昌某磷礦南礦塊所處地形屬山地地貌，地表最大高差約260 m，且地表有常年性河流流經(jīng)礦體正上方，如圖1 所示。整個地質(zhì)體結(jié)構(gòu)為單斜層狀構(gòu)造。礦體埋深為140～400 m，礦體走向長2.1 km，平均傾角10°，厚度為3～6 m，屬于典型復雜地形下難采的淺埋緩傾斜薄—中厚礦床。礦層及圍巖以碳酸鹽巖為主，直接頂板為完整性較好的含磷白云巖，平均厚度為6 m。

1.2 分區(qū)協(xié)同開采工藝

復雜地形下的條帶充填分區(qū)協(xié)同開采工藝指的是地表高差懸殊，致使地下礦體存在應力環(huán)境差距較大的情況下，為了更加合理地控制地壓，依據(jù)地應力環(huán)境在盤區(qū)內(nèi)劃分高、低應力采區(qū)，實施高應力采區(qū)高強度膠結(jié)尾砂充填、低應力區(qū)低強度膠結(jié)尾砂充填模式，并基于“協(xié)同開采”理念，實現(xiàn)采區(qū)間充填與回采協(xié)同高效開采，解決傳統(tǒng)充填法回采與充填工序相互制約的問題。

1.2.1 分區(qū)采場結(jié)構(gòu)布置

將復雜地形下的緩傾斜礦床劃分為盤區(qū)，設計盤區(qū)沿礦體走向長90 m，在盤區(qū)兩側(cè)由礦體底部沿傾向掘進上山巷道（也作為運輸巷道），巷道兩側(cè)留設3～5 m 的上山礦柱；當同一盤區(qū)內(nèi)出現(xiàn)埋深差異明顯的情況時，根據(jù)圍巖應力場的相對大小將盤區(qū)劃分為低應力采區(qū)和高應力采區(qū)，采區(qū)之間留設6 m 的隔離間柱；最后將采區(qū)內(nèi)的礦體沿走向劃分為條帶，條帶寬度取12 m，條帶長度為盤區(qū)沿走向長度的12；低應力采區(qū)內(nèi)的條帶沿傾向由下至上依次編號為L1～L6，高應力采區(qū)內(nèi)的條帶依次編號為H1～H6。為了降低巷道失穩(wěn)風險，在低應力采區(qū)一側(cè)布置聯(lián)絡道，連接盤區(qū)兩側(cè)的上山巷道；鑿巖巷中心線與條帶中心線重合，其長度與條帶走向長度相同，分區(qū)采場結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 回采與充填

課題組前期的研究成果［4］表明，由低應力區(qū)向高應力區(qū)的開采順序使得上覆巖層荷載對采場應力環(huán)境分配更加均勻，更有利于采場穩(wěn)定性，采區(qū)內(nèi)條帶間隔式開采如圖3所示。具體回采步驟為：步驟1，低應力采區(qū)一步驟開采（L1、L3、L5條帶）；步驟2，高應力采區(qū)一步驟開采（H1、H3、H5條帶），同步低應力采區(qū)一步驟充填（L1、L3、L5條帶）；步驟3，低應力采區(qū)二步驟開采（L2、L4、L6條帶），同步高應力采區(qū)一步驟充填（H1、H3、H5條帶）；步驟4，高應力采區(qū)二步驟開采（H2、H4、H6條帶），同步低應力采區(qū)二步驟充填（L2、L4、L6條帶）；步驟 5，高應力采區(qū)二步驟充填（H2、H4、H6條帶）。

2 相似模擬試驗

2.1 相似模型設計

2.1.1 試驗設備及監(jiān)測方法

試驗設備采用自行研發(fā)的可加載伺服相似試驗裝置［16］，能夠?qū)崿F(xiàn)水平、垂直方向上壓力加載以及尺寸微調(diào)，模型尺寸為2 000 mm×1 500 mm×300 mm；利用XL2101G 型靜態(tài)應變采集儀與BX120-5AA 型應變片實時監(jiān)測各測點的應變量。

2.1.2 相似條件

根據(jù)研究對象的區(qū)域范圍和模型試驗架尺寸，確定幾何相似比為Cl=1∶300；模型相似材料選用普通河砂作為骨料，32.5號硅酸鹽水泥和石膏作為膠結(jié)料。實驗室配制的相似材料密度范圍一般為1 500～2 000 kg/m3［17］，實際礦山的巖體密度一般為 2 500～3 000 kg/m3，故確定密度相似比為Cρ=1∶1.5；時間相似比Ct=1∶10；基于相似準則，確定應力相似比Cσ=1∶450。

2.1.3 相似模型制作及監(jiān)測點布置

在課題組前期開展的相似材料配比試驗基礎上［18］，根據(jù)礦山巖石測試的試驗力學參數(shù)和相似條件，選取合適的相似材料配比，關(guān)鍵層及充填體相似材料配比取值見表1。

根據(jù)地應力環(huán)境并結(jié)合周邊礦山的充填參數(shù)，低應力采區(qū)選用灰砂比1∶6膠結(jié)充填，高應力采區(qū)選用灰砂比1∶4 膠結(jié)充填。為了保證充填體相似材料的強度變化特征與實際充填體在時間上相似，需添加速凝復合劑，使充填體相似材料在對應時間段內(nèi)達到設計強度。

在相似模擬試驗裝置內(nèi)進行模型制作時，為了保證與礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造相似，模型由下至上沿一定傾角分層澆筑，每次裝填料厚度為10～30 mm（壓實后厚度為1～10 mm，成型壓力為5～6 MPa），每澆筑完一巖層后，采用云母粉進行分層處理，模擬巖層弱節(jié)理面；待模型養(yǎng)護至28 d 后脫模，并在模型表面用不同顏色顏料區(qū)分巖層，如圖4所示。

模型在垂直方向上僅考慮巖層自重力影響，不額外施加應力，模型兩側(cè)與背面分別施加水平約束，正面自由約束。測點位置按圖5進行布置即在高、低應力采區(qū)直接頂板上設置12個測點（編號為1#～12#），每個測點位于條帶正中心上方10 mm處，監(jiān)測開采過程中頂板的垂直應變量；在隔離間柱及采區(qū)兩側(cè)盤區(qū)礦柱上設置4個測點（編號為13#～16#），監(jiān)測隔離間柱及原巖礦柱的垂直應變量。

2.2 協(xié)同開采試驗過程

模擬巖層達到設計要求進行開挖，為了保證條帶回采結(jié)束時另一采區(qū)的充填體能達到終凝強度（實際終凝時間28 d），分5 個時步回采一個條帶，每隔13.5 h（實際時間5.6 d）沿模型厚度方向（礦體走向）推進30 mm（實際距離9 m）。待整個條帶回采結(jié)束后立即對空區(qū)進行充填，并對另一采區(qū)礦體進行回采，實現(xiàn)高、低應力采區(qū)交錯無間歇協(xié)同開采（圖6）。

3 相似模擬試驗結(jié)果分析

3.1 頂板垂直應變增量變化特征

將同一步驟內(nèi)的時步應變增量進行累加，分析不同步驟內(nèi)各時步采區(qū)頂板的垂直應變變化規(guī)律，如圖 7 所示，其中 1#～6#、7#～12#測點分別監(jiān)測低應力采區(qū)和高應力采區(qū)的頂板垂直應變。

由圖7 可知：在分區(qū)協(xié)同開采過程中，每一步驟條帶開采所引起的應力轉(zhuǎn)移特征變化趨勢相似，條帶礦體開采均伴隨著上部頂板拉應變的增大，以及兩側(cè)相鄰條帶上覆頂板壓應變的增大，說明條帶礦體被開挖后，上部頂板因采空區(qū)卸荷處于受拉狀態(tài)，上覆巖層荷載逐漸向兩側(cè)相鄰條帶礦柱上轉(zhuǎn)移，進而引起兩側(cè)條帶上部頂板受壓，且每次礦體開挖第一時步引起的應變變化最為明顯；隨著開采工作面沿走向向內(nèi)推進，工作面距離監(jiān)測點越來越遠，擾動程度也逐漸降低，應變變化程度減緩。

同一采區(qū)內(nèi)一步驟開采引起的圍巖變形量比二步驟開采引起的圍巖變形量小，這是由于二步驟開采時條帶上覆頂板的拉應力狀態(tài)受到一步驟充填體的支撐作用，其變形由拉應變轉(zhuǎn)化為壓應變，并且充填體的力學強度遠小于原巖礦柱的力學強度，導致后一步驟的圍巖變形量大于前一步驟。此外，不同位置的條帶開挖后引起的應變增量也存在差異，具體表現(xiàn)為埋深越大，應變增量變化越明顯，應力轉(zhuǎn)化程度越大。

通過對比兩采區(qū)間的頂板垂直變形量變化規(guī)律可知，高、低應力采區(qū)上覆頂板的應變增量隨開采時步呈交錯性分布；采區(qū)應力環(huán)境對頂板變形有一定的影響，低應力采區(qū)的最大壓應變值、拉應變值分別是高應力采區(qū)的77%、81.27%，應力轉(zhuǎn)移程度具有較高的相似性。此外，高應力采區(qū)的步驟1、步驟3、步驟5 和低應力采區(qū)的步驟2、步驟4、步驟5 應變增量變化相對較小，不僅說明采區(qū)內(nèi)回采、充填工序?qū)ο噜彶蓞^(qū)的擾動程度較弱，還表明采區(qū)內(nèi)二步驟充填體對上覆巖層荷載的承載作用較小。

3.2 采場圍巖礦柱變形特征

為了更加具體地反映圍巖礦柱在開采過程中的變形特征，統(tǒng)計分析了圍巖礦柱累計垂直應變增量隨開采步驟的變化情況，如圖8所示。

由圖8 可知：隨著開采的推進，每一測點的累計應變增量均呈現(xiàn)上升趨勢，說明圍巖礦柱在各個步驟均呈受壓狀態(tài)。當條帶內(nèi)礦體被開采后，上覆巖層荷載向兩側(cè)原巖礦柱上轉(zhuǎn)移，致使應變量增加，其中盤區(qū)頂?shù)字?3#、16#測點均是在兩步驟礦體開采中發(fā)生了兩次應變突增現(xiàn)象，且二步驟開采應變增長幅度小于一步驟開采，表明一步驟充填體在采區(qū)內(nèi)的承載效果較好，緩解了原巖礦柱上增加的壓應力；隔離間柱上14#、15#監(jiān)測點的應變增量出現(xiàn)3次應變量突增現(xiàn)象，這是由于與隔離間柱兩側(cè)相鄰的條帶礦房被交錯開采，加之兩監(jiān)測點相距較近，同步被兩側(cè)開采活動影響所致；在空區(qū)充填階段的應變量增長不明顯，表明條帶充填階段內(nèi)對周邊礦柱的受力環(huán)境影響較小。當兩個采區(qū)內(nèi)的礦體完全被充填體置換后，盤區(qū)礦柱及隔離間柱存在不同程度的非對稱變形。整個相似模擬開采及充填工作結(jié)束后，采場礦柱均未發(fā)生明顯破壞，采場圍巖穩(wěn)定，表明條帶充填分區(qū)協(xié)同開采方法對于該地區(qū)的高山河谷地形適用性較好，采場結(jié)構(gòu)及充填配比取值合理。

4 分區(qū)協(xié)同開采充填模式優(yōu)化

采用膠結(jié)充填采礦法時，膠凝材料添加量對充填成本起到至關(guān)重要的作用［19］。以水泥膠凝材料為例，充填體灰砂比越大，水泥含量越高，充填成本也越高。在保證采場安全的前提下，根據(jù)充填體承載特征選取適當?shù)某涮畈牧吓浔?，可達到降低充填成本的目的。

相似模擬結(jié)果顯示，采區(qū)內(nèi)一步驟充填體礦柱為采區(qū)內(nèi)的主要承載結(jié)構(gòu)，二步驟充填體的承載效果不理想。從控制充填成本的角度出發(fā)，結(jié)合周邊礦山的充填材料配比參數(shù)，改進了原有的協(xié)同分區(qū)充填模式，一步驟充填體灰砂比保持不變，二步驟充填體灰砂比減小，充填參數(shù)具體取值見表2。

通過FLAC3D數(shù)值模擬，對比分析兩種充填模式下的垂直應力及塑性區(qū)分布特征，結(jié)果見圖9 和圖10。

由圖9可知：兩種充填模式的應力分布特征大致相同，整個采場的主要承載體仍然是隔離間柱及一步驟充填體礦柱，二步驟充填體的承載作用相對較??；高、低應力采區(qū)應力環(huán)境差異致使一步驟充填體承載力不同，進一步說明分區(qū)充填模式的合理性。改進前后采場的最大壓應力均處于隔離間柱上，分別為27.6 MPa和29.9 MPa，均小于原巖的極限抗壓強度31.6 MPa，一步驟充填體的垂直壓應力約7.5 MPa，接近于充填體的極限抗壓強度8 MPa，說明充填體礦柱與隔離間柱并未發(fā)生壓縮破壞。

由圖10 可知：兩種充填模式下的塑性區(qū)分布特征相似，隔離間柱兩側(cè)采區(qū)的應力環(huán)境存在差異，致使其發(fā)生了非對稱性剪切破壞，一步驟充填體作為采區(qū)內(nèi)主要的承載結(jié)構(gòu)，也發(fā)生了不同程度的剪切破壞，但塑性區(qū)并未貫穿整個礦柱，說明此時的礦柱仍具備一定的承壓抗剪能力。此外，二步驟充填體的承壓作用相對較小，大部分充填體未發(fā)生破壞，但使得上覆荷載向周邊走向盤間礦柱轉(zhuǎn)移，進而發(fā)生了剪切破壞。

綜上分析可知：采場內(nèi)的主要承載體仍然是一步驟充填體和隔離間柱，在確保一步驟充填體強度達到指定要求的基礎上，二步驟充填體適當采用低配比的協(xié)同分區(qū)充填模式是可行的，對整個采場的應力及塑性區(qū)分布影響不大，能夠保證在采場安全的前提下降低充填成本。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)宜昌某復雜地形磷礦區(qū)的地應力分布特征，構(gòu)建了分區(qū)采場結(jié)構(gòu)，提出了與其相適應的條帶充填分區(qū)協(xié)同開采方法，形成了以間柱支撐為主、充填體支撐為輔的采場承載結(jié)構(gòu)，降低了地下開采對地表的擾動，也實現(xiàn)了同一盤區(qū)內(nèi)回采與充填協(xié)同進行，提高了礦山生產(chǎn)效率。

（2）復雜地形下緩傾斜礦床物理相似模擬試表明，采區(qū)間的相互干擾程度影響相對較小，采場頂板的變形量受開采步驟和條帶埋深影響較大，具體表現(xiàn)為二步驟礦體開采引起的頂板變形量大于一步驟礦體開采；條帶埋深越大，頂板變形越明顯。復雜地形下采場的盤區(qū)頂?shù)字案綦x間柱呈非對稱性變形，整個礦體開采結(jié)束后圍巖及充填體并未發(fā)生明顯破壞，佐證了采場結(jié)構(gòu)的合理性。

（3）結(jié)合采場充填體礦柱的承載機制，為了進一步降低充填成本，在原協(xié)同充填模式的基礎上進一步優(yōu)化，保證各采區(qū)一步驟充填體參數(shù)不變，適當降低二步驟充填體的力學強度，通過數(shù)值模擬對比分析認為，改進后的充填模式能夠保證采場穩(wěn)定。綜合分析相似模擬與數(shù)值模擬結(jié)果，認為采場內(nèi)的主要承載體仍然是一步驟充填體和隔離間柱，二步驟充填體的承載作用較弱，對采場穩(wěn)定性影響較小。條帶充填分區(qū)協(xié)同開采方法實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、高效三位一體的綜合目標，對于復雜地形下緩傾斜礦床開采具有一定的借鑒意義。