陳 何，黃 丹，于世波，秦秀山，王 昌，趙瑤瑤，田維剛，張 升

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京100160；2.山西華興鋁業(yè)有限公司， 山西 興縣033603；3.中國鋁業(yè)集團有限公司，北京100082)

1 概況

山西鋁土礦礦床賦存于中奧陶系碳酸鹽巖古風化殼侵蝕面之的上古生代晚石炭世早期太原組(湖山段)底部，層位穩(wěn)定。礦床為古風化殼沉積型[1-2]，礦體呈層狀、似層狀。礦體厚度總的變化趨勢是東厚西薄，中、南部厚北部薄，同時由于奧陶系古侵蝕面凹凸不平，因而礦體厚度在局部地段仍有較大的變化。礦體厚度0.80～8.46 m，平均2.80 m，變異系數(shù)48.71%。本區(qū)鋁土礦覆蓋層由本溪組砂巖、黏土巖、砂質(zhì)黏土巖，太原組、山西組下石盒子組砂巖、泥巖、黏土巖、煤，上第三系、第四系松散層組成。礦體埋深0～351 m，覆蓋層厚度大。堅硬巖石以砂巖為主，RQD值平均57%，巖石質(zhì)量一般為中等；半堅硬巖層，以泥巖為主，RQD值平均41.64%，巖石質(zhì)量為差。軟弱巖層RQD值多小于35%，巖石質(zhì)量多為極差。

礦山采用房柱法采礦方案。礦塊內(nèi)條帶式開采，采后及時處理采空區(qū)。條帶從礦塊一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)推進，條帶回采結(jié)束應用切頂協(xié)同充填技術(shù)，實現(xiàn)采空區(qū)隱患治理的同時，控制上覆巖層移動變化[3]。具體方案如圖1。

該開發(fā)方案主要技術(shù)特點：1)切頂協(xié)同充填采空區(qū)技術(shù)。應用黃土膠結(jié)充填技術(shù)對采空區(qū)進行一定采高的回填；然后采用切頂回填剩余采空高度，使礦體上覆巖層接近均勻沉降。2)誘導控制爆破控頂、均勻沉降技術(shù)。中深孔誘導爆破技術(shù)控制巖體松動范圍和沉降速率，實現(xiàn)空間范圍內(nèi)上覆巖層的均勻沉降。

圖1 切頂協(xié)同充填技術(shù)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of ground press control by cutting roof cooperate with filling

2 相似模擬試驗方案

相似模型試驗采用EWM二維模擬試驗臺[4-5]。根據(jù)礦體賦存條件，相似模型試驗的模擬范圍在420 m×150 m，采用的相似模型試驗尺寸為4 200 mm×1 500 mm，在模型厚度方向上(25 cm)模擬范圍25 m。模型采用砂子、云母粉和石膏配制的相似模型材料制成[6-7]。

在關(guān)鍵部位布設應變片的方式；移動變形監(jiān)測采用高精度經(jīng)緯儀人工監(jiān)測[5,8]。圖中白色標志點為位移監(jiān)測點，上層黑色材料為模擬煤層，下層黑色材料為分步開挖模擬鋁土礦層，豎向短實線為采場開挖界限，豎向長虛線為切頂線。監(jiān)測線(點)相對位置如圖2所示。試驗開挖順序總體而言為“從左到右、開挖和切頂交替進行”；直至模型回采結(jié)束。采用經(jīng)緯儀對模型標志點進行監(jiān)測，記錄開挖及切頂后上覆巖層位移變化情。

圖2 模型及監(jiān)測線(點)位置Fig.2 Model and monitoring line (point) location

3 試驗結(jié)果與分析

1)沉降變形規(guī)律

模型隨開挖及切頂?shù)淖兓^程如圖3～6所示。圖中白色曲線表示裂隙擴展范圍。相似模型監(jiān)測點的沉降變形。不同測線所得的沉降變形規(guī)律如圖7、圖8所示。

圖3 開挖采場15Fig.3 Excavation stope 15

圖4 開挖采場16Fig.4 Excavation stope 16

圖5 切頂8Fig.5 Cutting roof No.8

圖6 開挖采場17Fig.6 Excavation stope 17

圖7 第2行監(jiān)測線沉降變形變化曲線Fig.7 Settlement deformation curve on monitoring line No.2

圖8 第4行監(jiān)測線沉降變形變化曲線Fig.8 Settlement deformation curve on monitoring line No.4

第2行和第4行監(jiān)測點沉降變形曲線變化規(guī)律保持一致。采場上覆巖層豎向位移為整體變形移動，未出現(xiàn)明顯離層；隨開采范圍的逐漸擴大，采場頂板位移趨于平穩(wěn)，沉降變形整體變化不大，上覆巖層沉降較均勻；隨著開采和切頂進行，圍巖移動范圍呈拋物線狀逐步擴大，沒有出現(xiàn)較大范圍突變，開采過程對上覆巖層移動起到很好的控制作用；隨開采范圍進一步擴大，移動范圍逐步擴展到地表。采場開采寬度范圍外的巖體沉降變形趨近于零，開采過程對采場外圍巖體影響程度較小。

2)采場開挖引起巖移的縱向影響距離

選取典型的縱向測線4、6列分別位于開采區(qū)域1/4和1/2的采場頂板上方。繪制位移隨距離頂板距離變形曲線如圖9和圖10所示。

第4列測線和第6列測線的豎向沉降變形具有一定的相似性，都隨著距采場頂板距離的增大，巖體位移逐漸減小且有趨于穩(wěn)定的趨勢；最大沉降變形值均出現(xiàn)在采場頂板處，距離頂板越遠沉降值越小，說明上覆巖層的位移得到了有效的控制；第4列、第6列在最低測點與最高測點間的覆巖滯留空隙量為4.332 mm和4.527 mm，則最高測點與最低測點間殘余碎脹系數(shù)平均為0.7%。

圖9 第4列監(jiān)測線沉降變形變化曲線Fig.9 Settlement deformation curve on No.4 monitoring column

圖10 第6列監(jiān)測線沉降變形變化曲線Fig.10 Settlement deformation curve on No.6 monitoring column

3)采場開挖、切頂對上覆圍巖沉降變形的影響

考察不同采場開挖切頂全過程頂板圍巖的穩(wěn)定性規(guī)律，實驗過程中取典型監(jiān)測點A-4、B-4、A-6和B-6做開挖全過程時間—沉降變形曲線，如圖11所示。

(1)A-4號監(jiān)測點位于8及9號采場頂板。當臨近的后續(xù)9號尤其是10號采場開挖后，其沉降變形迅速增大，隨著時間的推移趨于平衡；B-4號監(jiān)測點位于A-4號監(jiān)測點上部，其初始變形突變時間較A-4號延遲4～5個采場開挖后出現(xiàn)，而后續(xù)沉降變形階段，A-4號和B-4號監(jiān)測點變形時間保持一致。

A-6號監(jiān)測點位于16及17號采場頂板處。當初始開挖盤區(qū)距離該監(jiān)測點位置較遠時，其沉降變形很小。當開挖至19和20號采場后，其沉降變形開始緩慢升高。當24號采場開挖后，其沉降變形迅速升高；而后隨著后續(xù)盤區(qū)的開挖，其沉降變形趨于穩(wěn)定；A-6號監(jiān)測點和B-6號監(jiān)測點位于開采區(qū)域的中間位置，二者沉降變形突變時間保持一致性，說明隨著開挖范圍擴大，采場上覆巖層變形更為均勻，表現(xiàn)為整體沉降，有利于上覆巖層的整體穩(wěn)定。

(2)4個監(jiān)測點的變形曲線中，變形增大基本都發(fā)生在偶數(shù)號采場開挖后，這些時間點多伴隨切頂過程。切頂對于及時切斷大范圍應力集中，使上覆巖層在可控時間內(nèi)發(fā)生變形具有積極作用。

B-4、B-6在對應A-4、A-6的正上方。B-4、B-6的位移沉降規(guī)律與A-4、A-6一致，但發(fā)生的位移均分別小于A-4、A-6，說明位移在巖層內(nèi)向上發(fā)展的過程中，A、B層位間的覆巖內(nèi)巖石破碎，滯留了一定的空隙體積，起到了抑制上部巖層位移的作用。A-4到B-4之間沉降平均減小了1.94 mm，A-6到B-6間沉降平均減小了2.12 mm。

在礦體沿走向連續(xù)開采的過程中，B層位已高出煤層開采范圍。當對應的B-4和B-6在B層位發(fā)生近均勻連續(xù)沉降時，距離作業(yè)面推進到第4列和第6列的條帶，再向前開挖8個條帶，相鄰已采采場上覆巖層中煤層已進入近均勻沉降狀態(tài)。

(3)鋁土礦層開挖后，上覆巖層產(chǎn)生移動變形帶，在變形范圍內(nèi)巖體空隙率的變化是由于鋁土礦礦層形成的采空區(qū)，導致上覆巖層冒落和節(jié)理裂隙發(fā)展所致。移動變形范圍的高度隨礦層開采的變化情況見圖12。

由以上分析可知：

在黃輝頭煤鋁礦層平均間距41.84 m的情況下，鋁土礦采高為3 m時，煤礦所在層位發(fā)生整體下沉，可保證煤層開采的完整性?？紤]采場內(nèi)點柱崩落充填率9.8%，留礦護頂0.3 m，鋁土礦厚3.56 m時均可實現(xiàn)上行保護性開采。按照礦區(qū)鋁土礦平均厚度2.84 m，可以實現(xiàn)鋁土礦對煤層的保護性開采。

圖12 相似模擬試驗移動變形范圍的高度Fig.12 The height of deformation in the test

由礦區(qū)范圍內(nèi)鉆孔資料可知，煤鋁間距和鋁土礦厚度變化較大，局部區(qū)域煤鋁間距較小，可能使煤層節(jié)理裂隙局部發(fā)育，使煤層處理應力釋放狀態(tài)，減緩煤層開采礦壓顯現(xiàn)。但為了避免導致煤層應力分布不均，減小局部應力集中，推薦部分充填采空區(qū)，限制上覆巖層移動帶范圍。

圖7、圖8可知在巖移范圍擴大過程中，第2、4行兩條測線上中間5個監(jiān)測點，在模型中，上下兩個層位對應點(間距315 cm)的位移差平均僅為0.64 mm，上層位幾近整體下沉。上覆巖層越向上，巖層受采動影響越小。

由以上分析可知：由微觀監(jiān)測數(shù)據(jù)反應出的巖移規(guī)律，在上覆巖層整體移動的宏觀形變移動中得到了驗證，呈整體下沉。需要說明的是，在實際中整體下沉層位為一漸變的過渡帶，為便于研究分析將該過渡帶等價平均為一具體層位高度。鋁土礦保護性開采，采高3 m時，上覆巖層的移動規(guī)律如圖13所示，粗線移動范圍以上巖層發(fā)生整體下沉。

圖13 相似模擬試驗上覆巖層移動規(guī)律Fig.13 The movement law of overlying strata in the test

4 應力應變監(jiān)測分析

各監(jiān)測點應變隨盤區(qū)開挖全過程變化曲線如圖14所示。隨著采場的開挖范圍逐漸擴大到監(jiān)測點附近采場時，上部頂板應力逐漸增長，當采場開挖及對應采場切頂完成后由于上覆巖體沉降變形，使應力得到釋放，應力值出現(xiàn)明顯下降；由于后續(xù)開挖采場距離該監(jiān)測點較遠，其應力緩慢下降并趨于平衡，影響范圍最大至60 m。

圖14 應力監(jiān)測點應變—開挖盤區(qū)變化曲線Fig.14 The strain curves with panel excavation at stress monitoring points

A-4號和A-6號監(jiān)測點距離頂板更近，其應力變化幅度較大，且應力釋放時間較正上方B-4號和B-6號監(jiān)測點提前。B-4號和B-6號監(jiān)測點位于上部煤層，距離頂板相對較遠，其應力變化幅度較小且趨于穩(wěn)定的速度更快。因此，通過采場和切頂?shù)挠行Э刂疲X土礦開采對上覆煤層的影響相對較小。

5 結(jié)論

1)采場上覆巖層豎向位移為整體變形移動，未出現(xiàn)明顯離層，鋁土礦開采對上覆煤層的影響表現(xiàn)為整體均勻沉降，有利于上覆巖層的整體穩(wěn)定。

2)隨著距采場頂板距離的增大，巖體位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定，說明上覆巖層的位移得到了有效的控制。

3)研究范圍內(nèi)的沉降變形幾乎均來自于采場開挖引起的瞬時變形，應加強在采場開挖過程中的地壓監(jiān)測。變形增大基本都發(fā)生在偶數(shù)號采場開挖后，這些時間均伴隨切頂過程，從側(cè)面證明了切頂對采場上覆巖層沉降變形控制具有積極作用。

4)隨著開采和切頂進行，圍巖移動范圍呈拋物線狀逐步擴大，沒有出現(xiàn)較大范圍突變，說明鋁土礦開采過程對上覆巖層移動起到很好的控制作用。隨開采范圍進一步擴大，移動范圍高度逐步擴展到地表，說明在開采過程中應采取充填等控制措施，以使巖層移動量在可控范圍內(nèi)。

5)隨著采場的開挖范圍逐漸擴大到監(jiān)測點附近采場時，上部頂板應力逐漸增長，當采場開挖完成后由于上覆巖體沉降變形，使應力得到釋放，應力值出現(xiàn)明顯下降；由于后續(xù)開挖采場距離該監(jiān)測點較遠，應力緩慢下降并趨于平衡，影響范圍約40～60 m。