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        群脈開采的采空區(qū)穩(wěn)定性相互影響分析

        2021-10-12 08:24:18趙子巍
        采礦技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:礦脈中段采空區(qū)

        趙子巍

        (長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012)

        脈狀礦體賦存規(guī)模較小,采后形成的采空區(qū)亦較為狹小,當(dāng)脈狀礦體呈急傾斜展布時(shí),其采空區(qū)側(cè)幫幾乎呈直立狀,有利于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。且其頂板暴露面積有限,相對于大面積開采形成的采空區(qū),通常自穩(wěn)性也較好。

        多條脈狀礦體距離較近,形成群脈時(shí),則開采面臨的采空區(qū)問題要比單脈復(fù)雜得多。尤其是當(dāng)群脈產(chǎn)狀不一,形態(tài)變化不規(guī)則,礦脈間距時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)時(shí),各脈開采過程中應(yīng)力發(fā)生大幅調(diào)整,采空區(qū)的穩(wěn)定性不僅與其自穩(wěn)性能密切相關(guān),亦與其周邊開采產(chǎn)生相互影響,進(jìn)而可能在局部范圍內(nèi)造成圍巖應(yīng)力高度集中,巖體位移和變形劇烈,采空區(qū)穩(wěn)定性下降,破壞失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)大大增加[1-4]。

        1 研究背景

        某鎢礦位于江南丘陵地區(qū),武功山系西南端,區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育,巖漿活動(dòng)頻繁,礦區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山區(qū),為中低山地貌,山勢陡峻。出露的地層簡單,僅有寒武系淺變質(zhì)巖(變砂巖、板巖、千枚巖),泥盆系、二疊系淺海相的碳酸巖和碎屑巖,侏羅系陸相碎屑巖,分布于巖體東、東南的邊部,面積較小,第四系主要為風(fēng)化殘坡積物,分布于山坡腳、低谷溝邊地帶,厚2~10 m。

        礦床為一石英群脈,該群脈由十余條含鎢石英脈列組成,其中具有開采價(jià)值的有6條礦脈。礦脈分布較為集中,間距較小。該石英群脈分布在礦區(qū)的中間區(qū)域,傾向北東,傾角為75°~85°,脈厚為0.4~1 m,一般厚0.6 m左右,礦脈延長500~1000 m,延深200~500 m,規(guī)模小至大型不等。

        礦脈間距大小不一,總體上集中在工業(yè)廣場下方相對狹小的區(qū)域內(nèi)。按編號分主要有A脈、B脈、C脈、D脈、E脈和F脈等6條礦脈,間距多為10~30 m。部分礦脈間距較小,如A脈和B脈中部間距最小僅為5 m左右,如圖1所示。

        圖1 各礦脈相對位置關(guān)系

        各礦脈整體上呈直立狀產(chǎn)出,總體平直穩(wěn)定,局部有時(shí)呈大角度彎曲,產(chǎn)狀變化較大。如A脈和E脈的中部、C脈下部先由急傾斜轉(zhuǎn)向緩傾斜,然后又由緩傾斜再向急傾斜發(fā)展,在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)波浪式大幅變化。

        2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

        采用數(shù)值模擬方法分析采空區(qū)穩(wěn)定性,對采后采空區(qū)位移與應(yīng)力變化進(jìn)行研究。為使數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)際相符,數(shù)值模擬順序需由礦山開采實(shí)際順序來確定。根據(jù)礦山開采特點(diǎn),6條礦脈自5中段開始同時(shí)向下開采,采完一個(gè)中段再向下開采另一中段,直至10中段開采結(jié)束。

        2.1 采后位移變化

        采空區(qū)最大位移量發(fā)生在A脈、B脈之間的小范圍區(qū)域,下向位移達(dá)10~12 cm,如圖2所示。

        圖2 采后豎向位移云圖

        豎向位移最大值變化如圖3所示。由圖3可知,采空區(qū)的豎向位移隨開采范圍的擴(kuò)大逐漸增大。5中段開采后,最大位移僅5~6 cm,位于A脈邊緣,豎向位移幾乎可以忽略不計(jì);此后位移量逐漸增加,8中段開采結(jié)束后,最大位移量為9~10 cm;10中段開采結(jié)束后,最大位移量增至12 cm。

        圖3 豎向位移隨開采深度增加的變化

        2.2 應(yīng)力分布

        隨著回采的進(jìn)行,巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞,采場圍巖應(yīng)力場發(fā)生了重新分布,采空區(qū)應(yīng)力不斷發(fā)生變化。采后最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)云圖如圖4所示。由圖4可知,5中段和6中段礦體開采后,主要集中在礦體形態(tài)變化較大的A脈和B脈采空區(qū)上盤,壓應(yīng)力最大值為8~10 MPa。 8中段礦體開采后,應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移,壓應(yīng)力大幅增加,但仍主要集中在各脈形態(tài)變化較大的區(qū)域,其中A脈在7中段礦體拐角處產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大為18 MPa。10中段礦體開采后,采空區(qū)圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯,A脈和B脈采空區(qū)拐角區(qū)域壓應(yīng)力最大達(dá)25 MPa,比6中段采后增加了2倍多??梢?,在采場側(cè)幫的上下盤隅角易產(chǎn)生壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        圖4 采后最小主應(yīng)力云圖

        采后最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖如圖5所示。由圖5可知,開采的起始階段,拉應(yīng)力主要集中在采空區(qū)周圍小范圍區(qū)域,拉應(yīng)力值約0.2 MPa。隨著開采范圍擴(kuò)大,8中段開采后,拉應(yīng)力集中區(qū)域相應(yīng)增大,最大拉應(yīng)力值約0.4 MPa;10中段開采后,拉應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步增大,最大拉應(yīng)力值約0.5 MPa。在礦脈集中的核心區(qū)域均出現(xiàn)了大小不等的拉應(yīng)力,這也說明過于集中開采使得各礦脈采空區(qū)的應(yīng)力相互影響。

        圖5 采后最大主應(yīng)力云圖

        3 采場地壓控制措施

        一般地,采用的采礦方法、工藝參數(shù)和回采順序與地壓顯現(xiàn)有很大關(guān)系,從地壓控制的角度看,這些因素的合理與否也直接影響開采過程中的圍巖穩(wěn)定與作業(yè)安全[5-7]。

        對于開采后形成的采空區(qū),處理方法則可分為崩、充、封、固四大類,各類方法使用的條件、技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)成本各不相同。在具體的采空區(qū)處理過程中,由于各個(gè)礦山存在的采空區(qū)數(shù)量、位置、形態(tài)特征不一樣,必須針對各采空區(qū)的特點(diǎn)和條件,分別采取相應(yīng)的處理方法。

        (1)采后充填。充填法處理采空區(qū)是消除隱患的最直接方法。礦體開采后,及時(shí)充填采空區(qū),抑制采空區(qū)圍巖變形,可有效防止采空區(qū)發(fā)生冒落事故。脈狀采空區(qū)本身采幅較小,充填相對容易實(shí)施,尤其是急傾斜礦體開采的采空區(qū),借助其傾角較大這一特點(diǎn),利用廢石或尾砂作為充填材料,處理工藝更為簡單。C脈采空區(qū)廢石充填前后一定時(shí)間段的上盤圍巖豎向位移變化情況如圖6所示,由圖6可知,充填體控制地壓的作用非常明顯,充填后的采空區(qū)的圍巖變形量明顯降低。

        圖6 采空區(qū)充填前后位移對比

        (2)連續(xù)強(qiáng)化開采。采場暴露時(shí)間越長,圍巖變形越顯著,發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)越大。急傾斜群脈開采,尤其是當(dāng)?shù)V脈距離較近且產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化時(shí),往往易產(chǎn)生高度應(yīng)力集中。在這些局部特殊區(qū)域采取連續(xù)強(qiáng)化開采,縮短暴露時(shí)間,減少回采周期,可大大降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

        (3)優(yōu)化爆破工藝參數(shù)。實(shí)踐證明,爆破振動(dòng)是造成圍巖破壞的主要因素之一。當(dāng)圍巖本身接近或已處于極限平衡狀態(tài)時(shí),爆破對圍巖施加的動(dòng)載荷可加速巖體破裂變形,直接導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。通過采取優(yōu)化爆破參數(shù)、選擇合理的起爆方式和起爆順序等多種措施,可有效降低爆破振動(dòng),盡可能減小生產(chǎn)爆破對采空區(qū)圍巖的不利影響,防止爆破形成振害,影響采空區(qū)的穩(wěn)定。

        5 結(jié)論

        (1)急傾斜群脈開采,礦脈距離較近且產(chǎn)狀變化較大區(qū)域易產(chǎn)生高度集中的應(yīng)力和較大圍巖變形,采空區(qū)自穩(wěn)性能較為脆弱。

        (2)礦體開采后,最大位移和最大應(yīng)力均發(fā)生在A脈和B脈之間。隨著開采的不斷下移,采空區(qū)暴露面積不斷增大,相應(yīng)的位移與應(yīng)力不斷增加,采空區(qū)局部面臨失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

        (3)采用連續(xù)強(qiáng)化開采,優(yōu)化爆破工藝參數(shù),采后及時(shí)充填采空區(qū),可有效減小圍巖變形、控制地壓活動(dòng),增強(qiáng)采空區(qū)穩(wěn)定性,大大提高采場作業(yè)安全。

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