緩傾斜中厚礦體分層開(kāi)采與圍巖控制研究

池秀文 柴志杰 何治良 張聰瑞 任高峰

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070；3.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010）

在國(guó)內(nèi)外采礦領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于緩傾斜中厚礦體的開(kāi)采一直是一個(gè)難題［1-2］。由于其賦存傾角較小，在開(kāi)采緩傾斜中厚礦體時(shí)，采下的礦石無(wú)法依靠其本身的重力放出，在采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)必須使用搬運(yùn)設(shè)備［3］。當(dāng)?shù)V體厚度較小時(shí)，開(kāi)采設(shè)備在采場(chǎng)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活；當(dāng)?shù)V體厚度較大時(shí)，采場(chǎng)空頂高，頂板管理工作較為困難，給企業(yè)的安全生產(chǎn)造成極大的隱患［4］；當(dāng)?shù)V區(qū)巖石質(zhì)量較差時(shí)，為穩(wěn)固圍巖，大量的礦柱需被留設(shè)［2］。

對(duì)于緩傾斜礦山開(kāi)采技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了不同方面的研究。修蕾等［5］針對(duì)應(yīng)用于緩傾斜中厚礦山的不同采礦方法分別闡述并對(duì)比分析，對(duì)未來(lái)各類采礦方法的發(fā)展方向、趨勢(shì)等進(jìn)行了預(yù)測(cè)。諸利一等［6］通過(guò)對(duì)安全、成本、損失貧化率、回采率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)條帶式開(kāi)采嗣后充填法。劉曉輝等［7］改變脈內(nèi)采準(zhǔn)布置、開(kāi)采參數(shù)、支護(hù)方式，提出預(yù)控頂分段嗣后充填的開(kāi)采方案以提高經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。池秀文等［8-9］通過(guò)分析不同開(kāi)采參數(shù)下圍巖的采動(dòng)特征及應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Milev等［10］通過(guò)對(duì)礦山深部圍巖采動(dòng)以及應(yīng)力響應(yīng)展開(kāi)了研究。Jiang等［11］通過(guò)對(duì)房柱法開(kāi)采地層壓力分布及上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)研究，優(yōu)化了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及支護(hù)條件。然而對(duì)于圍巖質(zhì)量較差且充填材料不足的緩傾斜中厚礦體深部開(kāi)采，目前尚無(wú)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的采礦方法。本項(xiàng)目提出一種緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采方法，并依據(jù)圍巖采動(dòng)、應(yīng)力分布對(duì)開(kāi)采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高圍巖穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 礦山開(kāi)采技術(shù)條件

挑水河磷礦礦體呈層狀產(chǎn)出，傾角4～8°，分布情況較為連續(xù)，礦體內(nèi)包含2個(gè)主要工業(yè)磷礦層Ph2、Ph13［9］。其中主礦層 Ph2 北西走向，北東傾向，長(zhǎng)3.0～5.07 km、寬 2.5～3.4 km，礦層埋深大，為 81.67～630.19 m，厚度1.6～14.7 m，屬緩傾斜薄至中厚礦體。主礦層開(kāi)采深度達(dá)500 m且上盤(pán)圍巖質(zhì)量較差，其中直接頂板內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面或相對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育、直接頂板以上的巖層中還存有強(qiáng)度弱的巖層［8］。礦區(qū)位置較為偏僻，充填骨料取材困難且其他來(lái)源充填成本較高，依據(jù)礦區(qū)的分布地形、礦體賦存及開(kāi)采技術(shù)等條件，Ph2礦層設(shè)計(jì)開(kāi)采方法為緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法。

1.2 緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法

根據(jù)礦體的賦存特征判斷，該礦體屬緩傾斜中厚礦體。由主礦層直接頂板結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況判斷，直接頂板圍巖質(zhì)量較差，需注意加強(qiáng)支護(hù)，然而采場(chǎng)空頂較高對(duì)頂板管理工作造成較大困難。本項(xiàng)目通過(guò)設(shè)計(jì)一種緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采方法（圖1），將礦層分為上、下2層進(jìn)行開(kāi)采以解決采場(chǎng)圍巖管理工作困難的問(wèn)題。

該采礦方法在盤(pán)區(qū)礦塊劃分、采準(zhǔn)切割布置、回采充填工序上的方案如下。

（1）盤(pán)區(qū)劃分。將礦床分為階段開(kāi)采，在各階段內(nèi)進(jìn)行盤(pán)區(qū)劃分，盤(pán)區(qū)沿走向布置。單個(gè)盤(pán)區(qū)沿礦體走向長(zhǎng)度50～80 m，沿傾向長(zhǎng)度80～120 m。階段運(yùn)輸巷沿走向掘進(jìn)。

（2）采準(zhǔn)切割布置。從盤(pán)區(qū)中部沿底板上、下山巷道，以上山巷道底部為界將礦層分為上下2層，以上山為界左右劃分相同數(shù)量的礦房。盤(pán)區(qū)內(nèi)不設(shè)溜井。

（3）回采充填工序。盤(pán)區(qū)設(shè)定3個(gè)步驟完成回采：第一步驟先進(jìn)行條帶上層礦房礦石回采工作，后進(jìn)行同條帶下層礦房礦石回采工作，同條帶上下2個(gè)礦房回采完成后統(tǒng)一充填；二步驟同一步驟重復(fù)間隔回采、充填盤(pán)區(qū)礦體直至盤(pán)區(qū)邊界；三步驟將盤(pán)區(qū)內(nèi)剩余礦體進(jìn)行回采。

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

在采用不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布有較大差異，而圍巖的應(yīng)力狀態(tài)直接影響采場(chǎng)頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。為更好地進(jìn)行采場(chǎng)頂?shù)装鍑鷰r管理，應(yīng)選擇設(shè)計(jì)合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在進(jìn)行多因素方案優(yōu)化研究時(shí)，正交試驗(yàn)法因其可以運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與正交原理，從部分方案中尋找出全局最優(yōu)方案，大大減少試驗(yàn)次數(shù)的特點(diǎn)被眾多學(xué)者廣泛使用［12］。本研究以挑水河磷礦Ph2主礦層為開(kāi)采對(duì)象，以主礦層頂、底板圍巖為主要研究對(duì)象，使用緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法，模擬礦體開(kāi)采對(duì)采用的充填條帶寬度、留空區(qū)條帶寬度及不同充填灰砂比進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，進(jìn)行模擬開(kāi)采，研究不同方案下采場(chǎng)頂?shù)装宓姆€(wěn)定性，對(duì)采場(chǎng)圍巖進(jìn)行控制管理。9組試驗(yàn)方案的參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 礦山巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)挑水河磷礦地質(zhì)報(bào)告資料，結(jié)合大量的試驗(yàn)資料，得出折減后的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。充填體對(duì)圍巖的支撐作用因選用不同的充填材料而有所差異，本項(xiàng)目選用灰砂比分別為1∶5、1∶7、1∶9的1#、2#、3#充填材料對(duì)充填條帶進(jìn)行充填，充填材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

3 圍巖控制研究

3.1 數(shù)值建模及回采步驟

建立巖層數(shù)值模型模擬礦體回采工作，研究采用不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、充填材料時(shí)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)圍巖狀況進(jìn)行分析。依照緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法劃定礦房，礦房位置布設(shè)如圖2所示，按“隔一采一”，先開(kāi)采劃定的充填條帶內(nèi)的礦體，后開(kāi)采劃定的留空區(qū)條帶內(nèi)的礦體；各條帶內(nèi)礦體開(kāi)采按先行開(kāi)采上層礦房、后再開(kāi)采下層礦房的順序，依次開(kāi)挖。其中，（11）、（12）、（31）、（32）、（51）、（52）、（71）、（72）、（91）、（92）礦房區(qū)域需進(jìn)行充填。數(shù)值模擬礦房回采具體順序如表3。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

由于Ph2礦層傾角較小，將開(kāi)采盤(pán)區(qū)簡(jiǎn)化為水平布置。設(shè)定盤(pán)區(qū)長(zhǎng)×寬×高為100 m×100 m×12 m，礦層分2層開(kāi)采，故礦房高為6 m，盤(pán)區(qū)間礦柱25 m，上、下山巷道與盤(pán)區(qū)邊界距離10 m。根據(jù)彈塑性變形理論，圍巖主要影響區(qū)域?yàn)殚_(kāi)挖區(qū)域的3～5倍［13］。設(shè)定計(jì)算模型尺寸為：700 m（X）×700 m（Y）×80 m（Z），據(jù)此在Flac3d軟件中建立采場(chǎng)三維實(shí)體模型，如圖3所示。

按前文設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案，為建立的數(shù)值模型賦予材料屬性；按礦房劃分及回采、充填方案模擬盤(pán)區(qū)開(kāi)采并分析9組試驗(yàn)的模擬結(jié)果。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 位移分析

通過(guò)模擬正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案中的9組試驗(yàn)方案，對(duì)比分析不同方案下不同位置的礦房頂、底板位移結(jié)果，得到各組試驗(yàn)方案中，各條帶內(nèi)礦房的頂板均產(chǎn)生了一定的沉降，礦房的底板出現(xiàn)了一定的隆起。

由圖4、圖5可知，在9種試驗(yàn)方案中，各處礦房頂、底板的位移與礦房在盤(pán)區(qū)中所處位置具有一定關(guān)系，處于盤(pán)區(qū)中部的礦房頂、底板的位移量要大于盤(pán)區(qū)邊界礦房的頂?shù)装逦灰屏?，各礦房中頂、底板位移量的最大值均位于在條帶6內(nèi)礦房處；充填條帶1、3、5、7、9內(nèi)的礦房頂、底板位移量明顯小于相鄰留空區(qū)條帶內(nèi)礦房頂、底板位移量。由此可知，充填體的存在可有效減少圍巖移動(dòng)，提高頂?shù)装宓姆€(wěn)定性；試驗(yàn)3、7中，各條帶的礦房頂?shù)装逦灰屏烤黠@大于其他各組試驗(yàn)結(jié)果，從安全的角度出發(fā)，試驗(yàn)3、7的開(kāi)采參數(shù)較不合理。

3.3.2 塑性區(qū)與應(yīng)力分析

充填條帶寬度與充填體材料力學(xué)性質(zhì)對(duì)礦體開(kāi)采后充填體的應(yīng)力應(yīng)變、圍巖穩(wěn)定至關(guān)重要［14］。由圖6可知，受盤(pán)區(qū)間礦柱的影響，靠近盤(pán)區(qū)邊界的充填條帶1、9內(nèi)的充填體應(yīng)力值要小于盤(pán)區(qū)中部充填條帶3、5、7內(nèi)的充填體應(yīng)力值；9組試驗(yàn)中，盤(pán)區(qū)內(nèi)各充填體應(yīng)力最大值均位于充填條帶5內(nèi)。

在不同充填材料、不同的應(yīng)力狀態(tài)下，充填條帶的塑性區(qū)占充填體的比例見(jiàn)表4。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著充填條帶寬度的增大、留空區(qū)條帶寬度的減小，塑性區(qū)比例有所降低。塑性區(qū)比例降低，可提高礦房?jī)?nèi)的充填體的有效承載能力，但二者之間并非線性相關(guān)。提高充填材料的灰砂比，可使充填體的塑性區(qū)比例在一定范圍內(nèi)減小，但塑性區(qū)比例對(duì)灰砂比的敏感性顯著小于對(duì)充填條帶寬度的敏感性?？紤]到礦山的實(shí)際生產(chǎn)狀況，充填所需的砂石資源較少，優(yōu)先選擇使用充采比較小、灰砂比較小的方案。

以9組試驗(yàn)中充填體應(yīng)力狀況均具有代表性的條帶5內(nèi)充填體作為研究對(duì)象，分析充填體的穩(wěn)定性。依據(jù)庫(kù)倫準(zhǔn)則與材料破壞極限應(yīng)力圓理論，計(jì)算充填材料抗壓強(qiáng)度；根據(jù)礦柱極限強(qiáng)度理論，計(jì)算條帶開(kāi)采充填體有效承載的極限應(yīng)力荷載［14］。根據(jù)充填體應(yīng)力荷載與充填礦柱極限應(yīng)力荷載計(jì)算各組試驗(yàn)條帶5內(nèi)充填體的安全系數(shù)見(jiàn)表5。

參考國(guó)內(nèi)外礦山資料，礦山開(kāi)采多要求礦柱安全系數(shù)為 1.5～2.0［14］。在圍巖質(zhì)量較差的情況下，為保證頂?shù)装宓姆€(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)增大對(duì)礦柱安全系數(shù)的要求。如表5所示，各試驗(yàn)組中條帶5內(nèi)充填體的安全系數(shù)均滿足要求，其中試驗(yàn)5中的充填礦柱安全系數(shù)顯著高于其他各組試驗(yàn)，且比一般要求高出89.5%，造成一定的浪費(fèi)。

在各組試驗(yàn)結(jié)果中，試驗(yàn)1、4、6、9號(hào)4組試驗(yàn)中各處充填礦柱的應(yīng)力值均大于其他各組試驗(yàn)充填礦柱，充填體安全系數(shù)較小。綜合考慮礦層頂板節(jié)理發(fā)育狀況及圍巖中弱結(jié)構(gòu)面的存在，從安全的角度出發(fā)，初選試驗(yàn)2、5的開(kāi)采參數(shù)。

對(duì)比分析試驗(yàn)2與試驗(yàn)5，試驗(yàn)5在充采比增加了10.5%，灰砂比增加22%的條件下，礦柱的安全系數(shù)由2.82提升至3.79。由經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)進(jìn)行綜合考慮，確定試驗(yàn)2為最佳開(kāi)采方案，即采用充填條帶寬度8 m，留空區(qū)條帶寬度6 m，充填材料灰砂比為1∶7作為實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)采參數(shù)。

3.3.3 軟弱結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行礦房的頂?shù)装骞芾頃r(shí)，通過(guò)采用充填礦柱及錨桿加固等方法約束礦房頂?shù)装宓呢Q向位移。受巷道掘進(jìn)影響，巷道周邊圍巖的應(yīng)力向巷道中心進(jìn)行釋放；直接頂板因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面發(fā)育，圍巖抗拉強(qiáng)度極小。當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)即切應(yīng)力與正應(yīng)力之比較大時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面易發(fā)生滑移、分離，需在該位置加強(qiáng)支護(hù)。以采場(chǎng)頂板中距離采場(chǎng)頂部4 m處的水平軟弱結(jié)構(gòu)面為研究對(duì)象，在巷道、礦房開(kāi)挖時(shí)，通過(guò)采用不同的支護(hù)強(qiáng)度在巷道臨空面上施加不同的支護(hù)阻力，分析不同位置軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)。

以上山巷道中心線處X值為坐標(biāo)原點(diǎn)，將巷道臨空面在分別施加支護(hù)強(qiáng)度、2種支護(hù)阻力下軟弱結(jié)構(gòu)面中各位置應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)制作曲線如圖7。從圖7中可以看出，受巷道開(kāi)挖及礦體開(kāi)采影響，上山巷道周邊軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)有一定提升，使軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性降低；對(duì)巷道臨空面進(jìn)行支護(hù)，施加支護(hù)阻力可使巷道周邊軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)產(chǎn)生一定降低，提高軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性。

巷道與采場(chǎng)之間存有10 m寬的盤(pán)區(qū)礦柱。由圖7可知，軟弱結(jié)構(gòu)面中的應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)由左向右，在經(jīng)過(guò)巷道頂部位置處產(chǎn)生一定提升后回落；在進(jìn)入礦房區(qū)域后軟化系數(shù)發(fā)生明顯的變化，在由盤(pán)區(qū)礦柱進(jìn)入礦房區(qū)域上部后軟化系數(shù)先急劇提升后降低至平穩(wěn)，在礦房邊緣上部的軟弱結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性明顯降低。

采場(chǎng)頂板圍巖的摩擦角為35.4°，因軟弱結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度極小忽略不計(jì)，為便于分析討論，設(shè)抗拉強(qiáng)度為零且無(wú)剪脹，計(jì)算軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移的極限軟化系數(shù)［15］為0.71，據(jù)此由圖7判斷軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)可能產(chǎn)生滑移破壞的區(qū)域?yàn)橄锏理敳考暗V房邊緣距盤(pán)區(qū)礦柱2～13 m內(nèi)。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于緩傾斜中厚礦體，依據(jù)礦體的賦存特征、圍巖質(zhì)量條件，可使用緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法進(jìn)行開(kāi)采。

（2）結(jié)合挑水河磷礦工程地質(zhì)條件，采用緩傾斜礦體分層條帶開(kāi)采法，并對(duì)開(kāi)采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：充填條帶寬度8 m，留空區(qū)條帶寬度6 m，充填材料灰砂比為1∶7。

（3）根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)軟化系數(shù)判斷采場(chǎng)頂板內(nèi)4 m處水平軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性，判斷軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)易發(fā)生滑移的區(qū)域位置為上山巷道頂部以及礦房邊緣距盤(pán)區(qū)礦柱2～13 m內(nèi)。