鐘 勇，林 堯

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 福建 上杭縣 364200；2.洛陽(yáng)坤宇礦業(yè)有限公司， 河南 洛陽(yáng)市 471799)

急傾斜破碎礦體開采巖層移動(dòng)規(guī)律研究

鐘 勇1,2，林 堯1,2

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 福建 上杭縣 364200；2.洛陽(yáng)坤宇礦業(yè)有限公司， 河南 洛陽(yáng)市 471799)

針對(duì)某金礦局部礦脈破碎、厚度變化大，開采至一定高度后垮落較大的難題，利用FLAC3D對(duì)該區(qū)域開采過程中的位移特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在礦房開采至8 m高時(shí)，上盤開采出現(xiàn)片幫，巖層最大水平位移為68 cm；在開采至10 m高時(shí)，頂板開采出現(xiàn)垮落，最大位移為32 cm。因此，采用現(xiàn)有的干式充填法無法有效的確保破碎巖體的穩(wěn)定，應(yīng)針對(duì)此類礦體改變采礦方法，以控制巖層的移動(dòng)。

急傾斜；破碎礦體；垮落；巖層移動(dòng)

0 引 言

目前我國(guó)眾多學(xué)者針對(duì)急傾斜中厚破碎礦體這一難采礦體進(jìn)行了多方面的研究。 胡耀青[1]、索永錄[2]通過建立相似模型對(duì)礦層開采過程中頂板的移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了模擬和試驗(yàn) 觀測(cè)。 魏明堯[3]、趙元放[4]、曾佑富[5]通過有限元軟件建立數(shù)值模型分析了在動(dòng)力擾動(dòng)、大傾角、復(fù)雜大斷面和深部破碎帶條件下巖層頂板的移動(dòng)規(guī)律和破壞規(guī)律。馬嬌陽(yáng)[6]研究了誘導(dǎo)冒落法在急傾斜破碎中厚礦體中的應(yīng)用。廖九波[7]采用基于未知數(shù)學(xué)理論的采礦方法優(yōu)選系統(tǒng)對(duì)中厚急傾斜破碎礦體進(jìn)行了針對(duì)性研究。范文錄[8]針對(duì)急傾斜破碎礦體進(jìn)行了人工假頂結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用。李國(guó)華[9]對(duì)傾斜破碎礦體的高效采礦技術(shù)進(jìn)行了研究。馬元軍[10]通過數(shù)值模型，研究和分析了開采急傾斜破碎中厚礦體時(shí)圍巖移動(dòng)規(guī)律。本文結(jié)合某金礦的實(shí)際開采情況，針對(duì)其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，通過數(shù)值模擬來研究回采過程中巖層移動(dòng)的規(guī)律。

1 工程背景

某金礦上下盤圍巖為絹云母化含礫砂質(zhì)板巖，巖石穩(wěn)定性較好，堅(jiān)固性系數(shù)為f=8～12。礦區(qū)賦存于含金構(gòu)造蝕變巖帶內(nèi)，共有6條礦脈。其中Ⅱ號(hào)礦體為主要開采礦體，平均傾角為76°，礦脈走向長(zhǎng)870～1396 m，礦化段長(zhǎng)30～260 m，受斷層控制而產(chǎn)于破碎帶中，礦石穩(wěn)固性差。礦體厚度變化較大，礦體平均厚度為2 m，局部超過5 m。

該礦采用干式充填法回采礦體，回采效果較好，但是在1000 m中段局部礦體厚度超過5 m，且礦體較破碎。在開采過程中，采用干式充填法回采時(shí)，上盤圍巖和頂板礦石呈大塊大面積冒落，嚴(yán)重影響工人作業(yè)安全。

針對(duì)局部礦體開采過程中存在上下盤圍巖和頂板的垮落，擬采用FLAC3D對(duì)該區(qū)域的開采過程進(jìn)行模擬，分析開采過程中巖層的移動(dòng)規(guī)律，以探究回采過程圍巖和礦體的移動(dòng)規(guī)律，研究防止措施。

2 三維數(shù)值計(jì)算

2.1 礦塊模型

試驗(yàn)礦塊厚8 m、長(zhǎng)60 m、高40 m，由于礦塊是對(duì)稱開采，因此建立礦塊的一半模型，模型尺寸為80 m×90 m×108 m，采用六面體網(wǎng)格。節(jié)點(diǎn)總數(shù)11244個(gè)，單元總數(shù)9900個(gè)。整體模型如圖1所示。開采礦體局部網(wǎng)格加密，礦體傾角76°左右。礦體模型共有節(jié)點(diǎn)1134個(gè)，單元800個(gè)。單層開采高度為2 m，礦塊共分20層開采。

圖1 試驗(yàn)礦塊數(shù)值模型

2.2 模型參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型中的3種巖石，從左到右依次為上盤巖石、礦體、下盤巖石以及廢石充填體，各巖石的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算巖體力學(xué)性能參數(shù)

2.3 邊界條件

整體模型底面Z方向固定，兩側(cè)面X方向固定，前后面Y方向固定。模型埋深在400 m左右，在模型頂面施加11.4 MPa的垂直應(yīng)力。

分別在礦塊上盤布置2排監(jiān)測(cè)點(diǎn)XⅠ、XⅡ，在頂板布置3排監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ，測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 上盤巖層移動(dòng)分析

根據(jù)模擬結(jié)果，上盤巖層移動(dòng)見圖3，從圖3可知，礦房作業(yè)面向上增高時(shí)，作業(yè)面空區(qū)上盤圍巖的水平收斂值不斷增大；無論是上測(cè)線還是下測(cè)線，都是在礦房中央(3#測(cè)點(diǎn))的水平收斂值最大；隨著采高增大，水平位移量在超過第13～14 分層后開始減小；在第5分層后，上盤圍巖的上部水平位移量超過30 cm；上盤的上部巖體位移量大于下部位移量。

沿著采高增加而發(fā)生的作業(yè)面上盤圍巖位移的規(guī)律。在第4分層采完后，圍巖水平收斂值超過20 cm，在回采第5分層時(shí)，開始發(fā)生位移反彈；在采高15 m(第7分層)后，圍巖通過卸載而保持位移量平穩(wěn)；在第12分層(采高約22 m)趨于減小位移量。

如果把巖石片幫作為巖體釋放能量，巖層位移表現(xiàn)為起伏變化。上盤巖石位移發(fā)生起伏的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為第4～5分層，圍巖收斂值為20～50 cm左右。

圖2巖層移動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 上盤巖層移動(dòng)值

3.2 頂板巖層移動(dòng)分析

頂板礦層沿礦體走向的下沉變化趨勢(shì)見圖4。

從圖4可知頂板垂直礦體走向的下沉規(guī)律，頂板橫斷面的下沉是不均勻的，靠上盤一側(cè)的頂板下沉量最大，中央線的下沉量次之，靠下盤一側(cè)的頂板下沉量最?。辉诓赏甑?分層后(采高10 m左右)，頂板靠上幫一側(cè)的巖層下沉值超過20 cm，而靠下幫的頂板最終的下沉值也不超過該值；靠上幫頂板在沿走向的礦房中央測(cè)點(diǎn)(3#點(diǎn))是一個(gè)奇異點(diǎn)，可能是上盤圍巖水平移動(dòng)量大的原因，該點(diǎn)下沉量比周圍頂板下沉值要小，所以會(huì)出現(xiàn)頂板切層破壞而冒落。

通過分析發(fā)現(xiàn)，該破碎區(qū)域礦體采用廢石充填回采時(shí)，開采至礦房10 m高位置開始發(fā)生垮落，廢石充填體無法有效的確保破碎巖體的穩(wěn)定，因此針對(duì)此類礦體應(yīng)改變采礦方法，下一階段應(yīng)研究膠結(jié)充填采礦法，以控制巖層的移動(dòng)。

4 結(jié) 論

(1) 在第4分層采完后，圍巖水平收斂值超過20 cm，在回采第5分層時(shí)，開始發(fā)生位移反彈，在采高15 m(第7分層)后，圍巖通過卸載而保持位移量平穩(wěn)，在第12分層(約采高22 m)趨于減小位移量，上盤巖石位移發(fā)生起伏的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是第4～5分層，圍巖收斂值是20～50 cm左右。

(2) 在采完第5分層后(采高10 m左右)，頂板靠上幫一側(cè)的巖層下沉值超過20 cm，而靠下幫的頂板最終的下沉值也不超過該值；靠上幫頂板在沿走向的礦房中央測(cè)點(diǎn)(3#點(diǎn))是一個(gè)奇異點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)頂板切層破壞而冒落。

(3) 每一個(gè)分層作業(yè)面頂板在垂直礦體走向是不均衡的。在每分層頂板沿走向分布的斷面均為上盤的頂板下沉值大，下盤頂板的下沉值小，其中央次之。

[1]胡耀青，趙陽(yáng)升，楊 棟，等.帶壓開采頂板破壞規(guī)律的三維相似模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(8)：1239-1243.

[2]索永錄，程書航，楊占國(guó)，等.堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板破斷及來壓規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(2)：137-140.

[3]魏明堯，王恩元，劉曉斐，等.動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)頂板斷裂的數(shù)值模擬分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010， 27(4)：532-536.

[4]趙元放，張向陽(yáng)，涂 敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(2)：231-234.

[5]曾佑富，伍永平，來興平，等.復(fù)雜條件下大斷面巷道頂板冒落失穩(wěn)分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(4)：423-427，432.

[6]馬嬌陽(yáng)，任鳳玉，曹建立，等.急傾斜礦體開采巖體移動(dòng)規(guī)律與變形機(jī)理[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(8)：1175-1178.

[7]廖九波.中厚急傾斜破碎磷礦體安全高效開采技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[8]范文錄.中厚急傾斜破碎礦體開采人工假頂結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[9]李國(guó)華.玲瓏金礦傾斜中厚破碎礦體高效采礦技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

[10]馬元軍，張 艷，衛(wèi)志強(qiáng).急傾斜中厚礦體開采破碎圍巖移動(dòng)規(guī)律研究[J].化工礦物與加工，2016，10(3)：38-41.

2017-06-17)

鐘 勇(1989-)，男，湖北監(jiān)利人，碩士，主要從事采礦方法及地壓管理研究,Email：541592747@qq.com。