復(fù)雜空區(qū)群下傾斜中厚難采礦體的開采及空區(qū)處理技術(shù)研究

謝金亮，李永輝

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 前言

某礦建礦有20多年的歷史，已對(duì)1號(hào)、70號(hào)、2號(hào)、22號(hào)礦體進(jìn)行了開采。礦山開采過程中未對(duì)空區(qū)進(jìn)行處理，礦體回采后留下了大量的采空區(qū)，給井下安全生產(chǎn)造成極大威脅。目前，隨著技改擴(kuò)建項(xiàng)目即將投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，空區(qū)隱患日益嚴(yán)重，對(duì)正常生產(chǎn)形成了重大安全隱患。對(duì)現(xiàn)有空區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行全局調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上建立空區(qū)的三維數(shù)字模型，可為以后的空區(qū)處理和今后的安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

1 采空區(qū)的分布情況

本次空區(qū)探測(cè)對(duì)1304中段以下的大部分淺孔回采采場(chǎng)和中深孔回采采場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。部分空區(qū)由于巷道跨落，測(cè)量安全條件差，找不到適合的測(cè)量基點(diǎn)，根據(jù)采礦設(shè)計(jì)圖紙建立其三維模型。1304以上空區(qū)由于年代久遠(yuǎn)，空區(qū)及巷道塌落嚴(yán)重，對(duì)此部分空區(qū)進(jìn)行了資料調(diào)查和部分空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘。為便于確定空區(qū)模型的相對(duì)位置，對(duì)地表及井下主要工程進(jìn)行了三維數(shù)字化建模。

空區(qū)整體分布圖如圖1所示，主要大空區(qū)分布在J23線和J33線之間，并集中在1304～1390 m標(biāo)高，空區(qū)總體積為1293673 m3。因?yàn)榻r(shí)，部分空區(qū)中的間柱及點(diǎn)柱的資料不詳，未能單獨(dú)建模，建模時(shí)把這部分作為空區(qū)處理，因此實(shí)際空區(qū)量比之要小。

圖1 空區(qū)及工程和地表總模型

2 礦柱回采及處理技術(shù)

2.1 空區(qū)下礦柱回采技術(shù)

影響采礦方法最終開采效果的因素眾多，且采礦活動(dòng)對(duì)人員和周圍環(huán)境的影響也是多方面的，為此，需綜合各因素來選擇采礦方法。由于采礦方法的優(yōu)與劣本身就是一個(gè)模糊概念，鑒于模糊綜合評(píng)判方法的強(qiáng)大功能與獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本研究采用該方法對(duì)該礦區(qū)軟弱破碎礦體的采礦方法進(jìn)行優(yōu)化選擇，推薦采用盤區(qū)分段扇形中深孔側(cè)向崩礦嗣后放頂采礦法。采用空?qǐng)龌夭伤煤蟊缆浣M合方法，回采這一部分礦柱礦體，先采用空?qǐng)龇ɑ厥詹蓤?chǎng)礦體，嗣后強(qiáng)制崩落頂板處理空區(qū)。

2.2 采空區(qū)處理技術(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的采空區(qū)處理方法，再結(jié)合該礦70號(hào)脈的水文地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀及空區(qū)現(xiàn)狀與穩(wěn)定性等實(shí)際情況，選擇適合該礦的采空區(qū)處理方案，或提出合理的采空區(qū)處理意見。

1304中段以上采場(chǎng)回采采幅一般在幾米，并且礦體基本上回采完畢，形成的采空區(qū)部分冒落，可采用隔絕封閉法處理其空區(qū)。

1304中段的1#～3#空區(qū)，空區(qū)間留有頂、底柱及間柱，部分間柱已回采，采空區(qū)已貫通，由于空區(qū)距地表高差大，且離主礦體較遠(yuǎn)，可視現(xiàn)場(chǎng)空區(qū)穩(wěn)定情況回采部分礦柱，然后采用隔絕封閉法處理其空區(qū)。1304中段沿礦脈分枝共形成了9個(gè)采空區(qū)，采幅一般在幾米，且較為分散，可以采用隔絕封閉法處理其空區(qū)，即在通往采空區(qū)的巷道中，砌筑一定厚度的隔離墻，阻隔由采空區(qū)中圍巖垮落所產(chǎn)生的沖擊波、沖擊氣浪及飛石。1264中段的礦體厚15～18 m，屬于中厚礦體。該中段的空區(qū)間留有幾米寬的間柱，目前空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)域地表屬于礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)，為提高資源利用率，盡可能回收礦柱和底柱。采用膠結(jié)充填處理空區(qū)，然后回采礦柱和底柱。

1264中段其10 m寬的礦房采用分段中深孔回采且已基本回采完畢，留下20 m寬的礦柱未回采，目前空區(qū)處于較穩(wěn)定狀態(tài)，隨著礦柱的回采，采空區(qū)暴露面積及空區(qū)體積將越來越大，安全隱患也較多，因此采用全尾砂膠結(jié)充填處理空區(qū)。

1264中段以南為規(guī)模不等的5～6條分枝薄礦脈，礦脈厚度不一，分枝一般長(zhǎng)約100 m，常急速尖滅，上下中段很難對(duì)應(yīng)，且礦脈相距較遠(yuǎn)。這些薄脈狀礦體需根據(jù)今后采場(chǎng)布置及回采情況才能確定相關(guān)的空區(qū)處理措施。

對(duì)1264中段以下礦體采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采，一步驟的空區(qū)采用全尾砂膠結(jié)充填處理，二步驟采場(chǎng)空區(qū)采用全尾砂充填處理。

3 礦柱回采及空區(qū)處理的模擬分析

本數(shù)值模擬研究對(duì)象為該礦70號(hào)脈1304～1224 m三個(gè)中段厚大礦體部分，模擬礦柱回采及空區(qū)處理過程中采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力分布規(guī)律、塑性破壞區(qū)及位移變化情況，采用隔一采一礦柱空?qǐng)龌夭伤煤蠓彭斕幚砜諈^(qū)的方案。

為便于分析，將各中段從西至東20 m寬的礦柱、采場(chǎng)依次編號(hào)為1#～7#，見圖2。

根據(jù)礦區(qū)實(shí)際地形創(chuàng)建模型，各中段7#礦柱埋藏深度要比其余礦柱大，對(duì)回采及采空區(qū)處理后其應(yīng)力分布進(jìn)行重點(diǎn)對(duì)比分析，中部區(qū)域5#采空區(qū)應(yīng)力分布也十分重要，因此，選取5#和7#礦柱采空區(qū)對(duì)其上盤圍巖及頂?shù)装鍛?yīng)力分析。間隔回采礦柱后，4#和6#礦柱將產(chǎn)生巖體應(yīng)力集中，礦柱穩(wěn)定性分析中則將選取4#和6#礦柱進(jìn)行分析比較。本次選取1304～1224 m中段采空區(qū)進(jìn)行模擬分析，詳見圖3～6。

圖2 各中段礦柱、采場(chǎng)分布示意

4 結(jié)論及建議

(1)受中段采場(chǎng)埋深影響，同一中段各采空區(qū)頂?shù)装濉⑸媳P圍巖體及礦柱的初始應(yīng)力隨埋深而不同，其主應(yīng)力值隨回采與空區(qū)處理過程而呈規(guī)律性變化。

(2)回采1304～1224 m三中段10 m礦房后，其端部?jī)刹煽諈^(qū)上盤圍巖體處分別形成30 m寬的應(yīng)力集中帶，其中1224 m中段7#礦房采空區(qū)上盤圍巖體主應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力值為－9.774 MPa，最小壓應(yīng)力值為－2.041 MPa;頂板主應(yīng)力中，1304 m中段7#采空區(qū)頂板中部偏上盤處出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為 0.759 MPa。

(3)間隔回采3中段礦柱前，其采空區(qū)頂板受雙向壓應(yīng)力，5#與7#空區(qū)頂板主應(yīng)力值相差不大。從間隔回采到模擬過程結(jié)束，相應(yīng)中段頂板中部偏(靠近)上盤處受單向拉應(yīng)力，7#空區(qū)最大拉應(yīng)力高于5#空區(qū);頂板四周受雙向壓應(yīng)力作用，5#空區(qū)最大壓應(yīng)力高于7#空區(qū)。可見，5#空區(qū)頂板進(jìn)一步拉破壞的可能性較7#空區(qū)小，剪切破壞較7#空區(qū)大。在1224 m中段間柱采空區(qū)放頂后再回采1264 m中段2#、4#和 6#礦柱是合理的。

(4)各中段礦柱采空區(qū)隨兩步驟放頂其圍巖充填體與中段頂柱的拐角處受單向拉應(yīng)力作用，應(yīng)力集中明顯，3中段對(duì)應(yīng)區(qū)域最大拉應(yīng)力值分別1.840，1.313 MPa 和1.569 MPa;5#和7#采空區(qū)圍巖充填體中部受雙向壓應(yīng)力作用。由于圍巖充填體較為松散，在較小拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下就會(huì)破壞其原有平衡狀態(tài)。

(5)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)之后，其強(qiáng)度和承載能力將大大降低。因此，塑性區(qū)的大小也是判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志。依據(jù)該方案模擬采空區(qū)頂?shù)装寮吧媳P圍巖體最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力值，

利用Mohr－Coulomb剪切破壞和拉破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn) 行計(jì)算分析，得出其塑性破壞區(qū)(剪切破壞和拉破壞)的變化情況。詳見表1。

圖3 1304－1224 m中段采空區(qū)頂板各模擬步驟最小主應(yīng)力對(duì)比

圖4 1304－1224 m中段采空區(qū)頂板各模擬步驟最大主應(yīng)力對(duì)比

圖5 1304－1224 m中段礦柱各模擬步驟最小主應(yīng)力對(duì)比

圖6 1304－1224 m中段礦柱各模擬步驟最大主應(yīng)力對(duì)比

表1 采空區(qū)頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)變化情況

(6)在采空區(qū)頂?shù)装寮吧媳P圍巖中，過大的垂直位移將導(dǎo)致采空區(qū)頂板冒落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起地表沉陷，故垂直位移比水平位移重要，其位移分析中取Y方向位移值;過大的水平位移將導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)，因此，水平方向位移也十分重要。

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