石膏礦層合并開采參數(shù)確定及穩(wěn)定性分析

李樹濤　李　洪

(1.山東鑫國(guó)煤電有限責(zé)任公司汶陽(yáng)石膏礦；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系)

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石膏礦層合并開采參數(shù)確定及穩(wěn)定性分析

李樹濤1李洪2

(1.山東鑫國(guó)煤電有限責(zé)任公司汶陽(yáng)石膏礦；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系)

摘要大汶口石膏礦區(qū)2Ⅱ、2Ⅲ膏層間距僅1.5 m，僅采其中一層，棄采另一層，當(dāng)?shù)V層變薄后，面臨著兩層均失去開采價(jià)值的嚴(yán)重后果。由于層間距近，合并開采是解決膏層變薄單層不可采的最佳方法，但該2個(gè)分層合并開采將使得采高增加較多，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性將造成重大影響，而大汶口礦區(qū)石膏礦層開采受水威脅(上覆含水層)嚴(yán)重，采空區(qū)的穩(wěn)定至關(guān)重要。針對(duì)大汶口礦區(qū)汶陽(yáng)石膏礦2Ⅱ和2Ⅲ膏層，運(yùn)用彈塑性理論，分析計(jì)算得到合并開采的合理開采參數(shù)為礦房寬度4 m，礦柱寬度9 m，最大采高9.0 m。數(shù)值模擬結(jié)果表明：合并開采后礦柱所承受的最大垂直應(yīng)力及水平拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于礦層強(qiáng)度指標(biāo)，礦房頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃畏謩e僅為11，2 mm。開采參數(shù)的合理確定以及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于確保該2個(gè)分層礦體的安全高效開采有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞石膏礦合并開采礦房礦柱彈塑性理論開采參數(shù)數(shù)值模擬

山東大汶口礦區(qū)具有十分豐富的石膏儲(chǔ)量，具有開采價(jià)值的石膏礦層分別為2Ⅱ、2Ⅲ、3Ⅱ、5膏層。2Ⅱ和2Ⅲ膏層的平均層間距為1.5 m。由于距離較小，按照《石膏礦山安全規(guī)程》(DB 37/1024—2008)，僅能開采其中一層，另一層無(wú)法開采，資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重；更為嚴(yán)重的是在礦層變薄帶，無(wú)論2Ⅱ或2Ⅲ膏層均無(wú)開采價(jià)值，但卻無(wú)法放棄開采，否則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的生產(chǎn)接續(xù)問(wèn)題，但若開采其中一層，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益將受到嚴(yán)重影響。為此，本研究針對(duì)大汶口礦區(qū)汶陽(yáng)石膏礦層間距低于2.0 m的2Ⅱ、2Ⅲ膏層存在的開采難題，對(duì)合并開采方案進(jìn)行探討，并確定合并開采的礦房、礦柱參數(shù)，確保礦房、礦柱的安全高效生產(chǎn)。

1工作面概況

位于大汶口礦區(qū)西南部的汶陽(yáng)石膏礦年生產(chǎn)能力30萬(wàn)t，為第四系覆蓋區(qū)，石膏礦層賦存于官莊群大汶口組二段上部，呈向斜構(gòu)造，兩翼傾角4°～7°。該礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均厚度分別為5.3，5.4 m，平均層間距為1.5 m，膏層頂板巖性以泥巖、頁(yè)巖為主，夾少量砂巖，頂板的工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差，底板巖性為泥巖、泥灰?guī)r夾頁(yè)巖，穩(wěn)固性較差。由于特殊的地理位置以及上覆巖層的富含水性，礦層開采后上覆巖層不允許垮落，也不允許地表下沉，采空區(qū)須確保長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。因此，采礦方法一直采用淺孔連續(xù)礦柱房柱法。合并開采前膏房寬度4 m，膏柱5 m，采高4～5 m，護(hù)頂膏厚度不小于1.5 m，護(hù)底膏厚度不小于1.0 m。礦房、礦柱布置如圖1所示。

圖1　大汶口石膏礦區(qū)房柱法開采礦房礦柱布置

根據(jù)《石膏礦山安全規(guī)程》(DB 37/1024—2008)，層間距不超過(guò)2.0 m的汶陽(yáng)石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層僅能采其中一層，但2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均厚度分別為5.3、5.4 m，除去至少保留的1.5～2.0 m厚的護(hù)頂膏層以及1.0 m厚的護(hù)底膏層，實(shí)際采高均不足3.0 m。無(wú)論開采2Ⅱ膏層或2Ⅲ膏層，不僅經(jīng)濟(jì)效益差，而且工作面現(xiàn)有的裝載設(shè)備由于高度太小無(wú)法發(fā)揮作用；若放棄開采2Ⅱ、2Ⅲ膏層，則礦井生產(chǎn)無(wú)法接續(xù)。汶陽(yáng)石膏礦2Ⅲ膏層上覆各層巖性特征見表1，物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

2合并開采方案

2.1方案確定

由于汶陽(yáng)石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層變薄，單層失去開采價(jià)值，但由于兩者間層間距較小，最大僅1.5 m，因?qū)?Ⅱ、2Ⅲ膏層合并開采。合并開采后，包括2Ⅱ、2Ⅲ膏層之間的泥、頁(yè)巖在內(nèi)的總厚度為12.2 m，考慮到變薄和安全因素，初步確定最大采高為9.0 m。開采方法為炮采，不支護(hù)，合并開采時(shí)首先掏2Ⅱ、2Ⅲ膏層中間的夾石層，然后放出頂板膏，放頂板膏層時(shí)應(yīng)確保至少留足厚1.5 m的護(hù)頂膏層，出完頂板膏層后再起底板膏層，同樣，起底板膏層時(shí)應(yīng)確保留足至少厚1.0 m的護(hù)底膏層，同時(shí)確保連同夾石層在內(nèi)的膏房總高度不超過(guò)9.0 m。為確保采空區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定不垮塌，大汶口礦區(qū)石膏礦多來(lái)年一直采用淺孔連續(xù)礦柱法開采，合理的礦房、礦柱尺寸是確保采空區(qū)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

表1　2Ⅲ膏層上覆巖層特征

表2　巖層物理力學(xué)特征

2.2礦房安全跨度計(jì)算

據(jù)圖1所示的汶陽(yáng)石膏礦礦房布置方式，礦房極限跨距計(jì)算公式為[1]

(1)

式中，l為礦房安全跨距，m；h為護(hù)頂膏層厚度，m；R為膏層許用抗拉強(qiáng)度，MPa；q為礦房頂板承受的載荷，kN/m2。

由于上覆巖層由多層巖層組成，礦房頂板承受荷載(q)的大小須根據(jù)上覆各層間的互相影響確定。根據(jù)彈性力學(xué)理論，護(hù)頂膏層承受載荷(qn)的計(jì)算公式為[2]

(2)

式中,n為層數(shù)為膏體層數(shù)；E1、E2、E3、…、En分別為上覆各層的彈性模量，GPa；h1、h2、h3、…、hn分別為上覆各膏體層的厚度，m；γ1、γ2、γ3、…、γn分別為上覆各膏體層的重力密度，g/cm3。

合并的2Ⅱ+Ⅲ膏層厚1.5 m的護(hù)頂膏層僅需承擔(dān)自重及上覆厚1.21 m的頁(yè)巖重量，于是護(hù)頂膏層承受載荷為47.52 kN/m2，據(jù)式(1)，計(jì)算得出礦房的安全跨距為4.9 m。結(jié)合多年開采實(shí)踐，本研究確定礦房安全開采跨距為4 m。

2.3礦柱寬度計(jì)算

礦柱受力后，在礦柱周邊形成了一定范圍的塑性區(qū)，若保證礦柱穩(wěn)定，須確保有1個(gè)足夠?qū)挾鹊奈词軘_動(dòng)的柱核區(qū)。塑性區(qū)寬度計(jì)算公式為

(3)

式中，M為采房高度，取9.0 m；tanβ=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ為礦柱巖層內(nèi)摩擦角，(°)；K為支撐壓力峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)，取3；H為埋藏深度，m，取最大埋深300 m；σs為礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)式(3)計(jì)算，x0為1.6 m，因此能夠確保穩(wěn)定的礦柱寬度為5.2～6.2 m。根據(jù)《石膏礦山安全規(guī)程》(DB 37/1024—2008)，本研究確定合并后2Ⅱ+Ⅲ膏層的礦柱寬度為9.0 m。

3礦房礦柱穩(wěn)定性模擬分析

采用FLAC3D3.0軟件進(jìn)行模擬分析，模型長(zhǎng)104 m，寬100 m，高92.02 m。其中，沿Z軸正方向由下至上巖層分別為泥巖(9.66 m)、泥灰?guī)r(6.2 m)、2Ⅱ+Ⅲ石膏層(12.2 m)、頁(yè)巖(1.26 m)、泥巖(8.23 m)、頁(yè)巖(1.66 m)、2Ⅰ石膏層(3.5 m)、頁(yè)巖(2.0 m)、1石膏層(3.5 m)、泥巖(32 m)、泥灰?guī)r(11.5 m)。模擬開采深度為2膏層的最大開采深度(300 m)，模型高度92.02 m，開采高度9.0 m，底板方向高度15.86 m，頂板方向高度67.7 m，模型頂端上方厚232.3 m的巖層的重量通過(guò)載荷的方式施加于模型上。相關(guān)模擬結(jié)果見圖2、圖3。

圖2　2Ⅱ+Ⅲ開采礦柱應(yīng)力分布云圖

圖3　2Ⅱ+Ⅲ合并開采礦柱塑性圖

由圖2可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏層合并開采的最大礦柱垂直應(yīng)力為9.37MPa，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)得到的2Ⅱ、2Ⅲ膏層的平均單軸抗壓強(qiáng)度24.6MPa。由圖3可知：最大水平拉應(yīng)力出現(xiàn)在礦柱垂直方向的中間部位，最大約0.73MPa，小于2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均抗壓強(qiáng)度1.56MPa。由圖2、圖3進(jìn)一步分析可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏間有厚1.2～1.5m的泥巖夾層，在礦柱邊界處，泥巖和泥巖附近的石膏出現(xiàn)了張拉和剪切塑性破壞，深度1～2m，塑性破壞區(qū)域并未失去垂直方向應(yīng)力的承載能力，處于塑性強(qiáng)化階段，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)并盡量封閉圍巖，使其免受風(fēng)化而失去承載力，使塑形區(qū)向礦柱內(nèi)部擴(kuò)展。根據(jù)布置于礦房頂?shù)装寮皞?cè)兩幫的位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果，頂?shù)装逡平考s11mm，側(cè)幫移近量為2mm。綜上所述，大汶口石膏礦礦房寬度取4m、礦柱寬度取9m較合理。

4結(jié)語(yǔ)

為有效開采大汶口礦區(qū)汶陽(yáng)石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層，針對(duì)膏層特征，制定了合并開采方案并確定了合理的開采參數(shù)，并對(duì)礦房礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，本研究確定的合并開采參數(shù)較合理，該方案自2014年4月底實(shí)施，截止目前，已采出礦石35萬(wàn)t，頂?shù)装遄畲笞冃瘟績(jī)H7.9 mm，成效較顯著，可供類似礦山參考。

參考文獻(xiàn)

[1]宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

(收稿日期2015-12-03)

李樹濤(1981—)，男，總工程師，工程師，271606 山東省肥城市汶陽(yáng)鎮(zhèn)高杭村。