倾斜
矿体
开采
地压
活动
规律
控制
方法
*基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 8 6 4 0 2 3,5 2 2 6 4 0 1 9).急倾斜极薄矿体深部开采采场地压活动规律与控制方法*刘军1,张晶2,周宗红2(1.元阳县华西黄金有限公司,云南 红河哈尼族彝族自治州 6 6 2 4 0 6;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 4 0 9 3)摘 要:急倾斜极薄矿体常用浅孔留矿法开采,当矿段延伸至深部时,受高地应力环境影响,采场顶部及围岩易失稳破坏,甚至有可能引发岩爆地质灾害。以大坪金矿7 0 0m中段V123矿体5 6至7 0线矿段为工程背景,针对该矿深埋矿段的工程实际,利用数值模拟研究了浅孔留矿法和削壁充填法开采过程中采场地压活动规律,数值模拟考虑了两种方法落矿和出矿的工艺流程,其后根据数值模拟结果,结合B a r t o n岩爆应力判据,分析了采场围岩岩爆倾向性。结果显示,浅孔留矿法采场塑性区、垂直位移和最大主应力明显大于削壁充填法,开采过程中易引发中等岩爆,而削壁充填法开采过程中采场围岩为弱岩爆倾向性,表明急倾斜极薄矿体深埋矿段可采用削壁充填法合理控制地压及保障生产安全。关键词:急倾斜极薄矿体;深部开采;地压活动规律;岩爆;削壁充填法0 引言急倾斜极薄矿体开采一直是采矿工程领域研究的热点之一,受限于矿体厚度、损失贫化、回采效率及生产安全等因素1,可采用的开采方法有限。随着矿体逐步向深部开采,矿岩力学性质发生复杂变化,且深部岩体易积聚应变能,使得矿岩开挖卸荷过程中极易发生岩爆现象23。因此,研究急倾斜极薄矿体深埋矿段的采场地压活动规律及控制方法具有重要的现实意义。针对急倾斜极薄矿体开采与地压管控问题,齐发富等4针对大洞金矿岩石力学参数测试,结合岩体质量评价及M a t h e w s图解方法对比分析了浅孔留矿法及削壁充填法采场围岩的稳定性;林荣平等5针对义兴寨金矿不稳固矿岩现状,采用模糊数学和层次分析法相结合的方法,优选出上向水平分层充填采矿法开采;刘亚雄等6针对急倾斜多层极薄矿体,提出削壁胶结充填采矿法;针对该类矿床开采厚度小、贫损大和安全性差等问题,周佳琦等7提出了上向水平分层干式充填采矿法,杨宁等8提出了下向进路楼板式假顶采矿法。由此可见,利用充填法开采急倾斜极薄矿体可有效控制采场地压活动,但前述学者对该类矿床深埋矿段的地压活动规律研究较少。急倾斜极薄矿体深埋矿段在高应力环境下,矿岩力学性能与响应状况明显区别于浅部,其地压活动更为剧烈91 0。本文以大坪金矿7 0 0 m中段V123矿体5 6至7 0线矿段为研究背景,通过模拟浅孔留矿法和削壁充填法落矿和出矿的工艺流程,对比分析了两者开采过程中的地压活动规律,并结合岩爆应力判据,确定采场围岩岩爆倾向性,为该矿段地压控制及开采方法选择提供理论依据。1 工程背景大坪金矿7 0 0m中段V123矿体5 6至7 0线矿段地处东矿化带中段,十八塘以南,产于哀牢山西侧脆韧性剪切带内,小新街断裂之上盘。矿区基本属于统一完整的水文地质单元,区内地下水赋存类型较为单一。地表标高为+1 3 3 2m,矿体平均厚度为0.3 7m,矿体平均倾角约为7 7.5,主采矿脉含金构造带控制总长为3 5 2 0m,矿体赋存在厚为0.23m的韧性剪切带内,最大埋深超过1 2 0 0m,已逐步进入7 0 0m中段探矿阶段,上下盘围岩为闪长岩,上部围岩稳固性较好,但节理、裂隙发育,埋深5 0 0m以下稳固性变差。该矿段一直沿用浅孔留矿法开采,采场长度为I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 35 0m,阶段高度为5 0m,间柱宽为4m,顶柱高度为3m,底柱高度为5m。深部矿、岩体处于“三高一扰动”的不利环境中,极易诱发巷道变形开裂、采场冒顶垮塌甚至岩爆等地压灾害,为此,有必要研究适合该矿深部开采条件的地压活动规律与控制方法,以降低矿石损失贫化,改善矿山安全生产条件。2 采场地压活动规律2.1 数值模型与开挖方案为研究急倾斜极薄矿体深埋矿段采场活动规律与控制方法,本文选取同样适用于该类矿床的浅孔留矿采矿法和削壁充填采矿法作为对比,并借助数值模拟分析不同采场间的地压显现规律。根据该矿段建立的数值模型如图1所示,模型外部尺寸为:3 5 0m 2 0 0m3 5 0m(长宽高),所建矿体厚度为0.3 7m,矿体倾角为7 7.5,每一中段矿体考虑两个采场的开采,矿体上下盘围岩均为闪长岩,y轴方向与矿体走向方向一致。图1 数值模型本次数值模拟考虑了两种不同的开采方法,结合该矿段生产实际,1 0 4 0m中段以上均利用浅孔留矿法开采,7 0 0m中段分别模拟浅孔留矿法和削壁充填采矿法开采.模拟浅孔留矿法开采时,采幅为1.2m,采场长度为5 0m,阶段高度为5 0m,间柱宽为4m,顶柱高为3m,底柱高为5m。模拟削壁充填法时,采幅为1.2m,采场长度为5 0m,阶段高度为5 0m,无间柱,顶柱高为3m,底柱高为3m。2.2 监测点布置及岩体力学参数为对比浅孔留矿法和削壁充填采矿法采场地压活动规律,将监测点主要布置在7 0 0m中段,分别位于每个采场6个面的中间位置,7 0 0m中段1#采场1#6#监测点如图2所示,7 0 0m中段2#采场监测点布置与1#采场相同。图2 7 0 0m中段1#采场监测点布置示意因该矿段为极薄矿体,为满足井下生产空间,需同时或按一定次序崩落矿石和岩石,数值模拟时对应的崩落矿石与崩落岩石按现场调查及模拟经验选取。上盘围岩、矿体和下盘围岩通过现场调查及室内力学试验获取。各类参数的取值结果见表1。表1 岩体力学参数岩性块体密度/(k g/m3)变形模量/G P a泊松比抗拉强度/M P a内聚力/M P a内摩擦角/()上盘围岩2.9 16.9 30.2 70.8 11.4 94 9矿体2.7 51.4 20.3 20.0 80.3 12 9下盘围岩2.9 17.4 30.2 70.8 51.6 45 0崩落矿石2.7 500.3 900.0 11 3崩落岩石2.9 100.2 700.1 31 92.3 初始地应力设置及边界条件因7 0 0m中段埋深约6 3 2m,数值模型高度为3 5 0m,模型底部距地表垂直距离7 7 2m,在进行数值计算前,还需要模拟初始地应力。最大水平主应力m a x、最小水平主应力m i n及垂直应力v随埋深的分布规律可表示为:m a x=0.0 3 0 1H+4.3 6 3m i n=0.0 1 8 5H+2.0 9 2 5v=0.0 2 7 1H (1)根据式(1)计算模型底部三向应力:最大主应力m a x=2 7.6 0M P a、最小主应力m i n=1 8.4 7M P a、自重应力v=2 0.9 2M P a。本文采用等效应力梯度1 1模拟初始地应力,在模拟过程中施加渐变应力用以平衡计算,应力渐变公式为:=0+gxx+gyy+gzz(2)根据模型底部初始地应力值,结合式(2)计算模型三向应力的初始值和梯度值,结果见表2。数值计算时除约定位移边界条件(仅模型上表面为自由面,其余面均为固定约束)外,还需按表2约定初始09采矿技术2 0 2 3,2 3(3)地应力值及应力梯度等应力条件。表2 初始三向应力x方向y方向z方向初始值/M P a梯度值/P a初始值/M P a梯度值/P a初始值/M P a梯度值/P a1 8.4 72.0 7 1 042 7.6 03.4 6 1 042 0.9 22.7 1 1 042.4 数值结果分析通过观察数值计算中塑性区的范围和塑性区之间的相对位置,分析模拟过程中塑性区的大小,分析采场的岩爆危险性。模拟过程中,如果塑性区范围较小且位置较分散,则岩体所受力未超过其自身的弹性极限,处于塑性变形的临界阶段;如果塑性区范围较大且位置集中或出现贯通,则岩体可能发生塑性破坏。利用浅孔留矿法和削壁充填采矿法开采7 0 0m中段时,1#和2#采场周边围岩对应的塑性区分别如图3和图4所示。从图3可知,当7 0 0m中段1#采场采用浅孔留矿法回采结束时,采场垂直矿体方向上下盘围岩产生大面积塑性区,并发生贯通破坏;顶底柱围岩状态良好,并未产生塑性破坏。采场沿走向方向顶底板 垂直矿体走向截面 沿矿体走向截面 垂直矿体走向截面 沿矿体走向截面 (a)浅孔留矿法 (b)削壁充填法图3 7 0 0m中段1#采场开挖后的塑性区对比 垂直矿体走向截面 沿矿体走向截面 垂直矿体走向截面 沿矿体走向截面 (a)浅孔留矿法 (b)削壁充填法图4 7 0 0m中段2#采场开挖后的塑性区对比和两侧间柱并未产生大范围塑性区,仅局部发生塑性破坏。当该采场利用削壁充填法回采结束时,垂直矿体走向方向,采场采空区未充填部分上下盘围岩产生成片塑性区,发生贯通破坏,局部发生剪切破坏;充填部分上下盘围岩,受散体废石影响,并未产生塑性区。采场顶底柱稳定情况较好,未产生塑性区。沿矿体走向方向,受散体矿石影响,采场顶底柱和两侧间柱并未出现明显塑性区。根据对塑性区面积监测数据可知,该采场利用浅孔留矿法和削壁充填法回采过程中产生的塑性区分别为1 80 0 0m3和2 0 0 0m3。由图4可知,当7 0 0m中段2#采场采用浅孔留矿法回采结束时,采场垂直矿体方向上下盘围岩产生的塑性区贯通破坏与1#采场基本相同;顶柱和底柱情况较稳定,没有出现塑性区。采场沿走向方向,顶底柱未出现大范围塑性区,间柱出现局部塑性破坏,没有出现贯通现象。当该采场利用削壁充填法回采结束时,垂直矿体走向,采场采空区未充填部分和充填部分采空区顶部产生塑性区,发生贯通破坏;充填部分采空区底部未出现明显塑性区。顶底柱情况较为稳定,未出现塑性区。沿采场走向方向,顶底柱未出现塑性区,较为稳定;两侧间柱局部出现小规模塑性区,发生塑性破坏。根据塑性区面积监测数据可知,该采场利用浅孔留矿法和削壁充填法回采过程中产生的塑性区分别为1 90 0 0m3和1 00 0 0m3。由此可见,利用削壁充填法可有效减小深部采场围岩的塑性破坏。利用浅孔留矿法和削壁充填采矿法开采7 0 0m19刘军,等:急倾斜极薄矿体深部开采采场地压活动规律与控制方法中段时,1#和2#采场监测点垂直位移及最大主应力变化分别如图5和图6所示。在回采同一采场时,削壁充填法采场监测点垂直位移和最大主应力均小于浅孔留矿法。从采矿工艺角度分析可知,采用浅孔留矿法进行回采时,随着回采工作不断推进,采场暴露面积不断增大,当中段矿房回采结束后,采场内矿石将全部放出,导致采场暴露面积达到最大,此时采场围岩极易出现失稳冒落的情形。采用削壁充填法进行回采时,采场内矿石与废石分步崩落,废石存留于采场可有效支撑围岩,且中段矿房回采结束后,采场暴露面积小。综上可知,削壁充填法比浅孔留矿法更有利于采场地压控制。图5 7 0 0m中段采场垂直位移对比图6 7 0 0 m中段最大主应力对比3 采场地压控制方法深部矿体开采时,矿石开采与工程掘进可能引发岩爆灾害的发生,因此,在研究急倾斜极薄矿体深埋矿段采场地压控制方法时,需采取相应方法研究岩爆的倾向性。结合前述数值模拟计算的最大主应力结果,本文采用B a r t o n应力判据1 2对采矿方法回采过程中采场上下盘围岩的岩爆倾向性进行分析,该应力判据的表达式如下:1c 0.2(无岩爆)0.2 1c 0.2 7(弱岩爆)0.2 7 1c 0.4(中等岩爆)0.4 1c(强岩爆)(3)式中,1为最大主应力;c为岩石单轴抗压强度。利用式(3)计算7 0 0m中段各采场5#和6#监测点的岩爆倾向性等级,结果见表3。由表3可知:利用浅孔留矿法开采时,随着矿房的逐次开采,采场岩爆倾向性增大,由弱岩爆倾向性达到中等岩爆倾向性,且回采过程中整个采场都存在岩爆倾向性;利用削壁充填法开采时,采场上下盘围岩存在弱岩爆倾向性,采场岩爆倾向性等级基本一致,不随回采高度增加而增大,表明削壁