紅嶺鉛鋅礦巖層移動角與移動帶預測研究?

常興建

(赤峰山金紅嶺有色礦業有限責任公司, 內蒙古赤峰市 025400)

紅嶺鉛鋅礦巖層移動角與移動帶預測研究?

常興建

(赤峰山金紅嶺有色礦業有限責任公司, 內蒙古赤峰市 025400)

為了揭示紅嶺鉛鋅礦巖層移動規律,綜合采用工程類比法、前蘇聯礦山研究所推薦的巖層移動角計算方法和人工BP神經網絡預測方法,對紅嶺鉛鋅礦鋅1號礦體、鋅

1－1號礦體以及鋅2號礦體上盤、下盤以及走向巖層移動角進行了預測研究,并圈定了紅嶺鉛鋅礦崩落開采巖層移動范圍,研究結果為紅嶺鉛鋅礦實現安全高效回采提供了理論依據。

巖層移動角;巖層移動帶;開采沉陷;安全措施

赤峰山金紅嶺鉛鋅礦用空場法開采,由于采空區沒有充填,不僅造成地表塌陷,上下盤巖層移動,影響豎井和地表建筑安全,而且破壞生態環境。因此,有必要針對紅嶺鉛鋅礦開采特征,研究巖層移動規律,為礦山安全決策提供科學依據。

金屬礦開采過程中,必然會形成數量龐大的采空區,這些采空區的上覆巖層在自重、構造應力以及開采擾動作用下會產生多種形式的破壞,如跨落、斷裂、離層、彎曲等,進而發展到地表形成一定區域內的地表塌陷[1-2]。煤礦床是賦存相對規則的水平煤層,通常用綜放式開采,而在金屬礦床中賦存條件復雜,礦體形狀是不規則的,且呈現分支復合現象,因而礦床采后形成的空區形狀和尺寸千差萬別[3-4],同時金屬礦床存在復雜的地質構造,致使一些用于煤層開采的地表沉陷、巖層移動等理論難以適用于地下金屬礦床,金屬礦山開采的巖層沉陷機理、地表移動規律等理論研究仍處于起步階段[5-10]。為此,本文針對紅嶺鉛鋅礦礦體傾角陡、產狀不穩定、存在分支復合等復雜開采技術特征,綜合采用工程類比法、前蘇聯礦山巖層移動角計算方法和人工BP神經網絡預測方法,對紅嶺鉛鋅礦上盤、下盤以及走向巖層移動角進行了預測研究,圈定了巖層移動影響范圍,探索了礦床開采對豎井和地表建筑的影響,為礦山實現安全開采提供了基礎。

1 紅嶺鉛鋅礦開采技術條件

紅嶺鉛鋅礦存在兩個平行的大理巖層位并由此形成了兩個含礦帶,分別為南含礦帶和北含礦帶。礦帶自東向西共分5個礦段,主要工業礦體賦存于Ⅲ礦段內,共圈出3個主要鋅礦體,即鋅1號礦體、鋅1－1號礦體以及鋅2號礦體,1號礦體位于1－1號礦體下盤,1－1號礦體位于1號上盤2號下盤。3個鋅礦體開采技術條件見表1。

表1 鋅礦體開采技術條件

2 紅嶺鉛鋅礦巖層移動角預測

為了確定紅嶺鉛鋅礦巖層移動角,綜合采用工程類比法、全蘇礦山研究所推薦的巖層移動角參數計算法和人工BP神經網絡預測方法確定紅嶺鉛鋅礦鋅1號礦體、鋅1－1號礦體以及鋅2號礦體上盤、下盤以及走向巖層移動角。

2.1 工程類比法

工程類比法是在調查研究相類似工程研究經驗的基礎上,通過類比分析,得出相應工程的研究結果或參數的方法,是目前最常采用的一種方法,因此本文首先用工程類比法研究紅嶺鉛鋅礦巖層移動角。通過調研和查閱國內外礦山相關工程實例,分析各礦山開采技術參數,如巖體普氏系數、礦床地質構造、礦體賦存產狀等特征參數,與紅嶺鉛鋅礦開采技術條件相比較。研究發現,紅嶺鉛鋅礦的巖性特征、礦體賦存條件以及工程地質特征與國內武山銅礦、小鐵山鉛鋅礦和前蘇聯某礦山相似,通過工程類比,分析得出紅嶺鉛鋅礦鋅1號礦體、鋅1－1號礦體以及鋅2號礦體開采上盤、下盤及走向巖層移動角見表2。

表2 基于工程類比法的紅嶺鉛鋅礦各礦體巖層移動角

2.2 前蘇聯礦山研究所推薦的巖層移動角計算方法

前蘇聯礦山研究所推薦的巖層移動角計算方法較為簡便適用。該計算方法將巖體按賦存特征分為兩種[11],一種為層狀巖體礦床,另一種為非層狀巖體礦床。對于非層狀巖體礦床,該計算法在礦床分類和巖移分類的基礎上提出的經驗計算公式如下:

式中,δp為下盤巖層移動角;βp為上盤巖層移動角; δ為走向巖層移動角;當f＜5時,α≤60°,f≥5時, α≤65°。

根據紅嶺鉛鋅礦各礦體所對應的圍巖力學參數,用式(1)～式(3)計算,分別確定各勘探線剖面上的巖層移動角參數。其中,各礦體所取勘探線剖面普氏系數見表3。將所得各平均值作為礦區鋅1、1－1以及2號礦體的巖石移動角參數,計算結果見表4。

表3 紅嶺鉛鋅礦各礦體所對應勘探線普氏系數

表4 基于全蘇礦山研究所確定的紅嶺鉛鋅礦巖層移動角

2.3 基于人工BP神經網絡的地表移動角預測研究

人工神經網絡是基于人腦神經系統形成的一種計算方法,神經元將神經細胞用一個多輸入單輸出的非線性節點來表示[12]。人工BP神經網絡通常采用一個3層前饋網絡,其結構見圖1。

圖1 BP3層前饋神經網絡

(1)生成網絡學習樣本。根據紅嶺鉛鋅礦開采技術特征,按照重要性和獨立性原則,選取6個影響因素作為紅嶺鉛鋅礦開采巖層移動角預測神經網絡模型的輸入,6個因素分別為:礦床上下盤圍巖性質、礦床開采深度、礦體厚度、礦體傾角、上下盤圍巖穩固程度。通過大量分析總結國內外礦山崩落采礦巖層移動工程實踐資料和相關文獻資料,整理數據如表5所示。

(2)網絡訓練與計算結果。對計算數據進行歸一化處理,采用traingdx函數訓練BP神經網絡,網絡訓練566次后,達到了期望誤差0.0001,網絡收斂,形成了神經網絡計算模型。根據所建立的神經網絡預測模型對赤峰山金紅嶺鉛鋅礦巖層移動角進行預測,具體結果為:鋅1號礦體上盤移動角56.8°,下盤移動角68.3°,走向移動角62.8°;鋅1－1號礦體上盤移動角50.1°,下盤移動角70.7°,走向移動角63.3°;鋅2號礦體上盤移動角51.6°,下盤移動角70.2°,走向移動角63.4°。

2.4 紅嶺鉛鋅礦巖層移動角計算結果

將工程類比法、前蘇聯礦山研究所推薦的巖層移動角計算方法和人工BP神經網絡方法3種方法的計算結果取平均值,得到紅嶺鉛鋅礦巖層移動角(見表6)。

表5 國內外部分崩落法礦山地表移動資料

表6 紅嶺鉛鋅礦巖層移動角計算結果

根據表6所求得的紅嶺鉛鋅礦上下盤巖層移動角,在各勘探線剖面按移動角作圖,得到各剖面線上下盤巖層移動線,從而得到地表與巖層移動線的交點,依次連接各點得到礦床開采地表移動帶,如圖2所示。

圖2 紅嶺鉛鋅礦地表移動帶

3 結 論

為確定紅嶺鉛鋅礦巖層移動角,采用工程類比法、前蘇聯礦山研究所巖層移動角計算方法和人工神經網絡方法,分析計算出各種方法的紅嶺鉛鋅礦開采上盤、下盤和走向巖層移動角,對3種方法的計算結果綜合分析,得出紅嶺鉛鋅礦鋅1號礦體上盤巖層移動角55.7°、下盤巖層移動角66°、走向巖層移動角68.3°;鋅1－1號礦體上盤巖層移動角52.8°、下盤巖層移動角68.7°、走向巖層移動角68.2°;鋅2號礦體上盤巖層移動角54°、下盤巖層移動角69.6°、走向巖層移動角68°。用計算得出的巖層移動角圈定了紅嶺鉛鋅礦崩落開采巖層移動范圍,研究結果為紅嶺鉛鋅礦實現安全回采提供了科學依據。

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2017-01-25)

常興建(1966－),男,內蒙古赤峰人,工程師,主要從事采礦技術及管理工作,Email:342097076＠qq.com。

國家自然科學基金項目(51674288).