蔡曙光

獲各琦銅礦采場頂板次生應力與位移特征

蔡曙光

(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司，內蒙古 巴彥淖爾市 015000)

通過對上向水平充填法采場頂板進行豎直方向應力、位移進行監(jiān)測，分析了采場頂板豎直方向次生應力與豎直位移特征，研究結果表明：隨著采場跨度的增大，采場頂板產生離層現(xiàn)象的范圍與豎直方向次生應力下降的幅度呈現(xiàn)增大的趨勢。對于跨度為50 m采場，在距采場頂板11 m以下的礦體產生離層現(xiàn)象可能性大，而對于跨度為10 m采場，在距采場頂板4 m以下的礦體產生離層現(xiàn)象可能性大。研究成果可為采場頂板支護設計提供重要現(xiàn)場依據。

獲各琦銅礦;上向水平充填法;頂板離層;監(jiān)測

0 引 言

充填法由于其礦石損失率低，作業(yè)相對安全，能夠較好的保護環(huán)境，其應用的比例呈逐年上升的趨勢。上向水平充填法作為充填法的一種，國內外學者圍繞上向水平充填法開展了相對廣泛的研 究[1-6]。王偉[1]等以數值模擬為手段，研究了司家營礦區(qū)采用上向水平充填法時地表變形的規(guī)律。羅瑞[6]等采用Mathew穩(wěn)定圖法分析了上向水平充填法最大安全跨度。楊悅憎[3]、張雯[4]、鐘杰[5]、占 飛[6]等研究了充填體作用機理與采場穩(wěn)定性問題。成德新[7]探索了上向水平充填法充填工藝改進方法。顧生春[8]等探索了上向水平分層充填法在哈圖金礦的應用。彭青生[9]與筆者[10]分析了獲各琦銅礦上向水平充填法采場頂板冒落的原因與分段高度。

在上向水平充填法中，采場頂板的穩(wěn)定性在一定程度上決定了生產安全。本文以獲各琦銅礦上向水平充填法采場頂板為研究對象，以現(xiàn)場豎直應力、位移監(jiān)測為研究手段，對比分析不同采場跨度條件下，采場頂板豎直方向次生應力與位移的特征。在此基礎上，提出了基于現(xiàn)場監(jiān)測的采場頂板采場發(fā)生離層的范圍。研究成果可為礦山采場頂板支護提供現(xiàn)場依據，同時也可為類似礦山采場結構參數設計、優(yōu)化提供參考。

1 采礦方法簡介

獲各琦銅礦主要采用上向水平分層充填采礦法進行開采，中段高60 m，分段高10 m，分層高3.3 m。中段開采順序為中央向兩翼前進式開采。對于頂板較好的采用整體上采，采場跨度為50 m。相應的對于頂板穩(wěn)定性差的采用10 m小跨度兩步驟進行回采。其中，首分層采用灰砂比為1?4的充填體整體充填，其他分層采用1?4、1?8與1?12充填體交替充填，充填高度分別為0.5，0.5 m與2.3 m（見圖1）。

圖1 非首充層充填

2 采場地壓監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方式

本文采用GZY20型應變式鉆孔應力計與YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測儀，用于采集礦體回采過程中頂板位移與應力數據。其中，GZY20型應變式鉆孔應力計用于采集回采過程中，礦巖豎起方向次生應力值。YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測儀有深、淺2個監(jiān)測基點，它們均可采集不同深度礦巖絕對位移值。如果2個位移傳感器在同一時間采集的數值不同，則兩數值的差值則為兩傳感器沿鉆孔方向離層值。

2.2 測點布置

本文選取采場跨度為分別為50 m與10 m的采場為研究對象，用于對比分析不同采場跨度條件下采場頂板位移與應力變化特征。GZY20型應變式鉆孔應力計與YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測儀均布置于充填回風巷中。其中，用于安裝GZY20型應變式鉆孔應力計的水平鉆孔孔徑為45 mm，孔深為5 m。用于安裝YUD300礦用本安頂板離層監(jiān)測儀的豎直鉆孔孔徑為80 mm，孔深為5 m。其中，深基點安裝于孔底，淺基點安裝于距深基點2.5 m處。測點安裝布置見圖2。

圖2 測點安裝布置

3 結果分析

選擇52011采場與520031-3采場為研究對象，以上兩采場位于1520 m中段。其中，52011采場跨度50 m，頂板暴露面積約754 m2。520031-3采場跨度10 m，頂板暴露面積約287 m2。

圖3給出了52011采場頂板離層儀深基點與淺基點位移曲線。從圖3可看出：52011采場自2018年1月20日采場頂板距深基點的距離由11 m減小為8 m。自2018年1月25日深基點位移值由2.18 mm緩慢增長至2018年2月2日2.33 mm；之后，快速增長至2018年2月12日4.97 mm。與此相對應，淺基點于2018年2月10日0.004 mm增長至2018年2月11日位移1.97 mm。

由圖3可知，下覆礦體開挖后，深基點響應時

圖3 52011采場頂板位移曲線

間早于淺基點。同時，深基點位移顯著增長歷時為10 d，大于淺基點位移顯著增長2 d。由于下覆礦體開挖后，深基點位移增量大于淺基點位移增量。結合深、淺基點距頂板距離可知：在距采場頂板8 m與11 m之間巖體已發(fā)生離層現(xiàn)象，其位移值約為0.67 mm。通過淺基點位移在2018年2月10之前，其位移數值近似為0，說明對于類似于52011跨度為50 m的采場，下覆礦體開挖后，其擾動范圍距采場頂板高度應大于8 m但小于11 m。

圖4給出了520031-3采場板離層儀深基點與淺基點位移曲線。從圖4可看出：采場頂板離深基點為5.0 m時，深、淺基點位移值基本相等，位移值約為1.0 mm。采場頂板離深基點為11 m時，深基點出現(xiàn)2次相對明顯的增長，其中2017年12月30日至2018年1月6日歷時6 d，位移由1.0 mm增大為3.0 mm。而后，其數值增至3.97 mm，位移增量約2.97 mm。對淺基點而言，2018年1月4日至2018年1月6日歷時2 d位移由1.0 mm增大為2.0 mm，位移增量約1.00 mm。當頂板距深基點為2 m時，此時，深基點標高低于頂板標高。深基點在2018年2月7日至2018年2月6日，位移值由3.97 mm增大至6.02 mm；對淺基點而言，2018年2月10至2018年2月12歷時2 d，位移值由2.00 mm增至3.97 mm，隨后在2018年3月17日再次增長至5.12 mm。

圖4 520031-3采場頂板位移曲線

由圖4可知，對于類似520031-3采場跨度為10 m的采場，下覆礦體開挖后，距采場頂板5~8 m會產生一定的位移，但產生層離現(xiàn)象可能性小，產生層離的范圍應在1~4 m，并且位移增長歷時隨著距頂板距離的減小而增大。

從圖5~圖6可以看出：下覆礦體開挖后是一下時間范圍內，豎直次生應力存在一相對明顯增大過程，隨后其數值隨時間的增大而減小。其中，52011采場在2018年1月25日至2018年1月31日，其數值從1.59 MPa增大為1.90 MPa。520031-3采場在2018年2月3日至2018年2月5日，其數值從0.54 MPa增大為0.6 MPa。其原因一方面在于礦體開挖后應力重新分布的影響。另一方面，根據頂板離層儀監(jiān)測結果可知：下覆礦體開挖后，在應力監(jiān)測點下方礦體將產生一定量的豎直向下的位移，從而導致應力計受力減小。從應力下降幅度來看，即使52011采場應力監(jiān)測點距采場頂板的距離大于520031-3采場，其對應的應力下降幅度也大于520031-3采場。

圖5 52011采場頂板豎直應力曲線

圖6 520031-3采場頂板豎直應力曲線

4 結 論

（1）對于跨度為50 m的采場，在下覆開采過程中，礦體產生離層現(xiàn)象的最大范圍應在距采場頂11 m之間礦體。

（2）對于跨度為10 m的采場，在下覆開采過程中，礦體產生層離層現(xiàn)象的最大范圍應在距采場頂板4 m之間的礦體。

（3）采場頂板豎直方向的次生應力，隨著采場采高的增大總體呈現(xiàn)下降的趨勢，并且隨著采場跨度的增大，次生應力下降的幅度增大。

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(2019-08-21)