湘安鎢礦多層礦體開采順序的影響研究

李運勝，楊 波

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012;2.辰州礦業湘安鎢礦有限責任公司，湖南益陽市 413500)

0 前言

湘安鎢礦為接觸變質型白鎢礦床，埋深一般50～250 m，最大300 m。礦床產于大神山花崗巖體外接觸帶的下震旦統南沱砂巖組有利地段，沿走向控制長度1300 m，最大傾向延深大于860 m。在其成礦空間大于50 m的范圍內，有彼此平行的層狀、似層狀礦體疊覆出現。礦區內共見三層具有一定規模的礦體，自上而下分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦層，大致平行分布，各礦體的間距較小，如果三層礦體同時開采，會對礦山的開采安全造成一定的影響，因此，如何開采這三層礦體就顯得十分重要，本文針對三層礦體之間的開采順序以及相互之間的影響，采用巖石力學軟件，從理論上進行分析，并確定其正確的開采順序。

1 地質概況及礦體開采技術條件

湘安鎢礦位處川黔南北構造帶上，礦區總面積58 km2，由高坪和白巖兩個礦區組成，為一大型海相沉積磷塊巖礦床。礦區出露地層及主要巖性特征由老至新分別為:五強溪組(Ptbnw):板巖、砂質板巖、細砂巖;南沱組(Zan):砂巖，出露厚度42～54 m，于礦區南部呈向南突出的弧形帶狀分布;南沱冰磧礫巖組(Zann):冰磧礫泥巖;陡山沱組(Zbd):板巖、粉砂巖，厚度數十米;燈影組(Zbdn):厚層硅質巖為主。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦層傾角上緩下陡，上部一般為18°～30°，深部稍陡，為 30°～40°，平均 17°～33°。Ⅱ礦體距Ⅰ礦體底板水平距離5～20 m，垂距2～15 m，Ⅱ礦體無明顯的構造標志層，Ⅳ礦體距Ⅰ礦體水平距離70～90 m，距Ⅱ礦體底板0～5 m，垂距0～3 m。Ⅰ礦層在地表出露完整，其它礦層均為盲礦體。

Ⅰ礦體為礦區內的主礦體，平均厚度1.61 m。Ⅱ礦體平均厚度1.56 m;Ⅳ礦體平均厚度1.92 m。Ⅱ礦體距Ⅰ礦體底板2～15 m，Ⅳ礦體距Ⅱ礦體底板0～3 m。

礦區上盤圍巖約為70～80 m的南沱冰磧礫巖組礫巖，直接頂底板約為6～7 m南沱組砂巖，下盤圍巖一般為五強溪組板巖。礦體普氏硬度系數f=14～16，礦體連續完整，下部圍巖硬度系數f=12～14，堅硬穩固;礦石松散系數 k=1.7。

礦巖物理力學參數見表1。

表1 巖體強度參數

2 開采順序對采場安全的影響

礦山三層礦體在垂直空間內呈多層狀賦存，各礦體之間的走向、厚度及品位的變化，容易形成復雜的開采格局和較大的采空區，給礦石回采及地壓管理帶來了很大的難度，同時，開采順序如果選擇不恰當的話，會形成“樓板”，因此，確定多層礦體相互之間的開采順序對采場的安全極為重要。

3 Ⅳ礦脈采場暴露面積的分析

依據礦山工程地質現場調查，采用Mathews圖解方法對開采現狀以及采場采空區上盤暴露面積進行穩定性分析。Mathews穩定性圖解包含3個區域，區域之間被2個過渡帶分隔(見圖1)。

圖1 穩定性系數與水力半徑的相關關系

(1)穩定區。開挖體無支護或局部支護可以自立。

(2)無支護過渡區～支護穩定區～支護過渡區。發生局部破壞，但形成穩定的平衡拱。

(3)崩落區。開挖體將產生破壞，一直到開挖空間被填滿。應用穩定性圖表方法需要計算兩個參數，一個是形狀因素，另一個是穩定性系數。形狀因素考慮了單獨采場暴露表面的尺寸和形狀，形狀系數是暴露面的水力半徑;穩定性系數反映了在一定的應力條件下巖體自立的能力。

Mathews穩定性系數的計算公式為:

式中:Q＇—修正的Q系統分級法;

A—巖石應力系數，為評價的采空面邊界上巖

石單軸抗壓強度σc與誘生的壓應力σi之比，

取值范圍為:若 σc/σi＜ 2 ，A=0.1;如果2 ＜σc/σi＜ 10 ，則A=0.1125 ×(σc/σi)－0.125;如果 σc/σi＞ 10，則 A=1;

B—節理方位系數，取決于關鍵不連續的節理面方向與需要分析的面方位間的差值;

C—重力調整系數。

以湘安鎢礦基本礦巖物理力學參數為依據，按Q系統分級的方法對礦體頂底板的礫巖、砂巖、板巖和礦體進行分類，得出分析結果:礫巖Q=13.47，砂巖 Q=10.3，Ⅰ礦體 Q=7.2，Ⅱ礦體 Q=7，Ⅳ礦體 Q=6.5，板巖 Q=16.75。

根據礦體的產狀、工程地質調查以及巖石力學參數試驗結果，換算得出湘安鎢礦主要圍巖及礦體保持穩定性時各項指標和穩定水力半徑，具體見表2。

表2 Mathews穩定性系數的計算參數表

根據表2中的計算參數，按式(1)以及圖1，可得出在開采Ⅳ礦體時，保證Ⅰ礦體和Ⅱ礦體穩定狀況的各區容許水力半徑分別為:穩定區水力半徑為0 ～6.0;無支護過渡區水力半徑為 6.0 ～7.25;水力半徑大于7.25為崩落區。

根據設計中開采Ⅳ礦體采場結構參數，采場上盤暴露面積、水力半徑，得出采場上盤圍巖的穩定性狀況(見表3)。

表3 開采Ⅳ礦體時采場上盤暴露面水力半徑及穩定性狀況表

從表3中可以看出:湘安鎢礦頂柱礦石的跨度在10 m以下時，水力半徑按Hn=6計算頂柱是穩定安全的，此時對應頂板的穩定暴露面積只要控制在50～60 m2(大致相當于走向長度為50 m，寬12～20 m的采場暴露面積)即可，超過此值后，隨著上下采場頂底柱、相鄰采場間柱被采出，采場高度和長度增加，上盤暴露面積逐漸增大，上盤圍巖處于無支護過渡區和崩落區。會對Ⅰ礦體和Ⅱ礦體開采造成影響，直至上盤圍巖發生垮冒，采空區被充填滿。

4 結語

通過對礦山采場的穩定性進行分析可以知道，礦山對于多層礦體的開采，其順序為先開采下層礦體，后開采上層礦體，即先開采Ⅳ礦體，然后再開采Ⅱ礦體和Ⅰ礦體，開采Ⅳ礦體時，采場長度為50～80 m，中段高度為40 m，采空區上盤圍巖整體處于穩定區，整體穩定性良好，不會影響Ⅰ礦體和Ⅱ礦體開采，如果采場長度大于80 m、中段高度大于40 m，則會造成采空區上盤圍巖不穩定。

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