崩落采矿转型安全隔离层厚度的确定

崩落采矿转型安全隔离层厚度的确定

刘宝红

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摘要：对于开采过程中将崩落采矿法更替为充填采矿法的矿山，存在采矿方法过渡阶段。在过渡期间，为了避免不同采矿方法之间相互影响，或者已有采空区对新采矿方法的影响，保证安全生产，需要在过渡时期留一定厚度的矿体作为隔离层或隔离矿柱。因此，研究安全隔离层厚度对井下后续安全开采作业具有指导意义。本文主要分析崩落采矿转型安全隔离层厚度的确定。

关键词：无底柱分段崩落采矿法;充填采矿法;安全隔离层厚度;理论计算;数值模拟

引言

对于安全隔离层厚度的研究主要采用理论分析与Flac数值模拟的方式，例如:采用理论计算与数值模拟相结合的研究手段得出采空区顶板失稳的临界参数;采用不同的数值模拟方法对地下矿山开采中顶板厚度问题进行分析研究;采用理论计算的方式初步估算了顶板稳定厚度，并采用Flac数值模拟软件建立实体模拟，精确计算了顶板失稳临界厚度;针对合理隔离层厚度留设问题，采用材料力学、结构力学等7种理论计算方法综合确定隔离层厚度，并结合Flac数值模拟软件讨论了理论计算结果的合理性。采用ANSYS有限元分析软件进行数值模拟得出隔离层的厚度，并采用理论计算的方式验证了模拟结果的合理性。

1、工程背景

该矿山主矿体赋存标高580～1202m，钻孔控制主矿体深度最大高差510m。部分矿体位于当地侵蚀基准面以上。根据地表地形条件，上部可采用平硐开拓。矿体为含锡斑岩，围岩主要是变粒岩，有部分片岩和片麻岩。矿体和围岩基本完整稳固。除局部风化带及个别破碎带围岩块崩落需进行支护外，一般矿岩中无不良工程地质问题。矿岩机械物理参数为:矿石密度2．78t/m3(表内锡矿石)，岩石密度2．72t/m3;矿石普氏硬度系数f=8～12，岩石普氏硬度系数f=7～14;矿石松散系数1．5～1．6;矿石自然安息角35°～38°。矿区所处地势高，附近无大的地表水体，虽然矿体和围岩属统一裂隙含水层，矿体埋藏于潜水面以下，但含水层富水性弱，矿体又赋存于当地侵蚀基准面以上，利于自流排水。矿区水文地质条件属简单类型。该矿山原采用无底柱分段崩落采矿法回采，由于顶板围岩完整稳固，矿石回采后顶板无法自然崩落，从而形成了大量的采空区未处理，虽然矿体和围岩均较稳固，地压活动暂时不明显，但给今后生产留下了重大安全隐患。采用无底柱分段崩落采矿法回采时，存在采矿损失贫化较难控制、地表易塌陷等问题。因此，经过综合比较，选用充填采矿法进行回采，为保证下部矿体回采的安全，在无底柱分段崩落采矿法开采区域和充填开采区域间必须留设一定厚度的安全隔离层。只有确定合理有效的安全隔离层厚度，才能确保矿山顺利完成采矿方法过渡，并实现安全高效回采。

2、方案探究

为确保矿体上部道路和河流得到适当保护，开采过程中选择的主要施工方法是岩洞混合法，包括水平充填向上、充填向上和漂移充填向下。

2.1上向水平分层充填

水平向上切割和混合方式主要适用于矿石和岩石稳定性较好的矿山，其技术特点如下:向上切割和前进采矿面积；每层以采矿、放电和充填的形式进行循环作业；技术环节相对较多。根据生产管理和机械化程度，可以准确判断矿体块的实际容量。切削时，由于拔模面高度相对较小，所以停止充填非常容易维护，能够很好地适应矿体块本身的动态变化，边缘损失和过度开采的现象一般不会出现。在此基础上，选择性停止方法可以更好地控制贫困和损失指标等。此外，采场野外作业时矿体的局部稳定性较低，必须采取相应的顶板支护措施加强顶板保护，以确保安全系数。

2.2上向进路充填

上行漂移混合法作为水平层填充的明显变形，通过分层向上划分为多个漂移，然后分别分解和填充每个漂移，适合于稳定性相对较差的矿体的降解。开采时，矿石块沿矿体的总体趋势排列，同一矿体块中的段按照从下而上开采其他每个矿体块的原则进行充填和相应开采。填充同一部分中的间隙后，其馀管线将按照原始方法依次分解。该方法在一定程度上可以大大减少顶板的裸露面积和时间，达到安全开采不稳定矿体的目标。由于停止和填充是分步骤进行的，地雷的连续性良好，多个矿石块和多条路线可以同时拆除，停止效率很高。

2.3下向进路充填

除了一般混合法可以开采的矿山外，下行漂移混合法还可以实现矿石和岩石及其不稳定和相对优质的矿床的开采。但不可能实现大规模开采，工艺环节复杂，人工假屋顶强度高，导致生产效率低，生产成本高。

3、隔离层稳定性

使用FLAC3D软件对隔离层稳定性进行科学分析。

3.1方案设计

采矿最初采用无柱子岩洞法，经常出现地表塌陷，地表运动的边界靠近道路和河流。为了尽可能确保超收设施和矿山的安全，决定将开采方法改为向上填土。

3.2模型计算和分析

简化了磨料和降解面积，以确保快速准确的仿真计算。矿体冲击是x轴，连续布置方向是y轴，垂直高度是z轴。同时，模型的长度、宽度和高度也会相应增加，以确保矿体、亚伯拉罕和周围岩石的环境能得到更真实的反射，并充分考虑到塑性区的影响。分析与实践表明，绝缘层的检测厚度和绝缘柱的宽度可以满足矿山安全开采的要求。向上开采方法对周围岩石应力影响不大，能最大限度地保证开采区的稳定性，并确保其不会在一定的可打印区域内变形。

3.3工程稳定性模拟

该矿床赋存标高600～1060m、3勘探线—12勘探线的矿体采用分期开采，900～1060m标高矿体为一期开采范围;600～900m标高矿体为二期开采范围。中段高度为50m，井下一期设1042m(回风分段)、1000m(首采中段，包括1025m、1010m及1000m3个分段)、950m、900m共4个中(分)段。1042～1060m设为隔离层，首采中段为1000m中段。本次模型建立以充填采矿法回采工艺为原型，其参数为:中段高度50m，分段高度15m，采场跨度15m。在前处理过程中对模型中不同单元进行分组，并赋予其力学参数、初始应力及边界条件。根据采场实际开挖顺序进行数值模拟，由于实际开采过程中，同一中段采场开采时间非连续，所以对其进行简化，即同一中段的采场一次性开挖完成，在时间上是连续的。选择弹性模型来计算初始平衡，摩尔－库仑模型计算后面的变形和破坏。通过数值分析可以看出，开挖前，空区周边的拉应力最大值达到1MPa，且分布范围较小;开挖后，采空区周边围岩由于卸载作用，拉应力有所降低，最大值接近于0．8MPa，但拉应力区域范围有所扩大，多数区域拉应力在0．3MPa以下，均小于围岩和矿体的抗拉强度，说明隔离层的厚度为18m能够满足当前的安全生产要求。

结束语

某矿山在采用无底柱分段崩落采矿法开采过程中，存在采矿损失贫化难控制、地表易塌陷等问题，拟转型为充填采矿法。因此，采矿方法过渡期间，需留设一定厚度的安全隔离层。综上可知，理论计算与数值模拟在隔离层厚度研究中具有合理性，基于此，本文采用理论计算的方法得到安全隔离层厚度，并采用数值模拟对计算结果进行验证，最终得出了合理厚度。

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