急傾斜破碎礦體開采巖層移動規律研究

鐘 勇，林 堯

(1.紫金礦業集團股份有限公司, 福建 上杭縣 364200；2.洛陽坤宇礦業有限公司， 河南 洛陽市 471799)

急傾斜破碎礦體開采巖層移動規律研究

鐘 勇1,2，林 堯1,2

(1.紫金礦業集團股份有限公司, 福建 上杭縣 364200；2.洛陽坤宇礦業有限公司， 河南 洛陽市 471799)

針對某金礦局部礦脈破碎、厚度變化大，開采至一定高度后垮落較大的難題，利用FLAC3D對該區域開采過程中的位移特征進行了數值模擬分析，結果發現：在礦房開采至8 m高時，上盤開采出現片幫，巖層最大水平位移為68 cm；在開采至10 m高時，頂板開采出現垮落，最大位移為32 cm。因此，采用現有的干式充填法無法有效的確保破碎巖體的穩定，應針對此類礦體改變采礦方法，以控制巖層的移動。

急傾斜；破碎礦體；垮落；巖層移動

0 引 言

目前我國眾多學者針對急傾斜中厚破碎礦體這一難采礦體進行了多方面的研究。 胡耀青[1]、索永錄[2]通過建立相似模型對礦層開采過程中頂板的移動變形規律進行了模擬和試驗 觀測。 魏明堯[3]、趙元放[4]、曾佑富[5]通過有限元軟件建立數值模型分析了在動力擾動、大傾角、復雜大斷面和深部破碎帶條件下巖層頂板的移動規律和破壞規律。馬嬌陽[6]研究了誘導冒落法在急傾斜破碎中厚礦體中的應用。廖九波[7]采用基于未知數學理論的采礦方法優選系統對中厚急傾斜破碎礦體進行了針對性研究。范文錄[8]針對急傾斜破碎礦體進行了人工假頂結構的研究與應用。李國華[9]對傾斜破碎礦體的高效采礦技術進行了研究。馬元軍[10]通過數值模型，研究和分析了開采急傾斜破碎中厚礦體時圍巖移動規律。本文結合某金礦的實際開采情況，針對其復雜的地質構造，通過數值模擬來研究回采過程中巖層移動的規律。

1 工程背景

某金礦上下盤圍巖為絹云母化含礫砂質板巖，巖石穩定性較好，堅固性系數為f=8～12。礦區賦存于含金構造蝕變巖帶內，共有6條礦脈。其中Ⅱ號礦體為主要開采礦體，平均傾角為76°，礦脈走向長870～1396 m，礦化段長30～260 m，受斷層控制而產于破碎帶中，礦石穩固性差。礦體厚度變化較大，礦體平均厚度為2 m，局部超過5 m。

該礦采用干式充填法回采礦體，回采效果較好，但是在1000 m中段局部礦體厚度超過5 m，且礦體較破碎。在開采過程中，采用干式充填法回采時，上盤圍巖和頂板礦石呈大塊大面積冒落，嚴重影響工人作業安全。

針對局部礦體開采過程中存在上下盤圍巖和頂板的垮落，擬采用FLAC3D對該區域的開采過程進行模擬，分析開采過程中巖層的移動規律，以探究回采過程圍巖和礦體的移動規律，研究防止措施。

2 三維數值計算

2.1 礦塊模型

試驗礦塊厚8 m、長60 m、高40 m，由于礦塊是對稱開采，因此建立礦塊的一半模型，模型尺寸為80 m×90 m×108 m，采用六面體網格。節點總數11244個，單元總數9900個。整體模型如圖1所示。開采礦體局部網格加密，礦體傾角76°左右。礦體模型共有節點1134個，單元800個。單層開采高度為2 m，礦塊共分20層開采。

圖1 試驗礦塊數值模型

2.2 模型參數

數值計算模型中的3種巖石，從左到右依次為上盤巖石、礦體、下盤巖石以及廢石充填體，各巖石的力學參數如表1所示。

表1 數值計算巖體力學性能參數

2.3 邊界條件

整體模型底面Z方向固定，兩側面X方向固定，前后面Y方向固定。模型埋深在400 m左右，在模型頂面施加11.4 MPa的垂直應力。

分別在礦塊上盤布置2排監測點XⅠ、XⅡ，在頂板布置3排監測點ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ，測點布置見圖2。

3 模擬試驗結果分析

3.1 上盤巖層移動分析

根據模擬結果，上盤巖層移動見圖3，從圖3可知，礦房作業面向上增高時，作業面空區上盤圍巖的水平收斂值不斷增大；無論是上測線還是下測線，都是在礦房中央(3#測點)的水平收斂值最大；隨著采高增大，水平位移量在超過第13～14 分層后開始減小；在第5分層后，上盤圍巖的上部水平位移量超過30 cm；上盤的上部巖體位移量大于下部位移量。

沿著采高增加而發生的作業面上盤圍巖位移的規律。在第4分層采完后，圍巖水平收斂值超過20 cm，在回采第5分層時，開始發生位移反彈；在采高15 m(第7分層)后，圍巖通過卸載而保持位移量平穩；在第12分層(采高約22 m)趨于減小位移量。

如果把巖石片幫作為巖體釋放能量，巖層位移表現為起伏變化。上盤巖石位移發生起伏的轉折點為第4～5分層，圍巖收斂值為20～50 cm左右。

圖2巖層移動測點布置

圖3 上盤巖層移動值

3.2 頂板巖層移動分析

頂板礦層沿礦體走向的下沉變化趨勢見圖4。

從圖4可知頂板垂直礦體走向的下沉規律，頂板橫斷面的下沉是不均勻的，靠上盤一側的頂板下沉量最大，中央線的下沉量次之，靠下盤一側的頂板下沉量最小；在采完第5分層后(采高10 m左右)，頂板靠上幫一側的巖層下沉值超過20 cm，而靠下幫的頂板最終的下沉值也不超過該值；靠上幫頂板在沿走向的礦房中央測點(3#點)是一個奇異點，可能是上盤圍巖水平移動量大的原因，該點下沉量比周圍頂板下沉值要小，所以會出現頂板切層破壞而冒落。

通過分析發現，該破碎區域礦體采用廢石充填回采時，開采至礦房10 m高位置開始發生垮落，廢石充填體無法有效的確保破碎巖體的穩定，因此針對此類礦體應改變采礦方法，下一階段應研究膠結充填采礦法，以控制巖層的移動。

4 結 論

(1) 在第4分層采完后，圍巖水平收斂值超過20 cm，在回采第5分層時，開始發生位移反彈，在采高15 m(第7分層)后，圍巖通過卸載而保持位移量平穩，在第12分層(約采高22 m)趨于減小位移量，上盤巖石位移發生起伏的轉折點是第4～5分層，圍巖收斂值是20～50 cm左右。

(2) 在采完第5分層后(采高10 m左右)，頂板靠上幫一側的巖層下沉值超過20 cm，而靠下幫的頂板最終的下沉值也不超過該值；靠上幫頂板在沿走向的礦房中央測點(3#點)是一個奇異點，會出現頂板切層破壞而冒落。

(3) 每一個分層作業面頂板在垂直礦體走向是不均衡的。在每分層頂板沿走向分布的斷面均為上盤的頂板下沉值大，下盤頂板的下沉值小，其中央次之。

[1]胡耀青，趙陽升，楊 棟，等.帶壓開采頂板破壞規律的三維相似模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22(8)：1239-1243.

[2]索永錄，程書航，楊占國，等.堅硬石灰巖頂板破斷及來壓規律模擬實驗研究[J].西安科技大學學報，2011，31(2)：137-140.

[3]魏明堯，王恩元，劉曉斐，等.動力擾動誘發頂板斷裂的數值模擬分析[J].采礦與安全工程學報，2010， 27(4)：532-536.

[4]趙元放，張向陽，涂 敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現規律[J].采礦與安全工程學報，2007，24(2)：231-234.

[5]曾佑富，伍永平，來興平，等.復雜條件下大斷面巷道頂板冒落失穩分析[J].采礦與安全工程學報，2009，26(4)：423-427，432.

[6]馬嬌陽，任鳳玉，曹建立，等.急傾斜礦體開采巖體移動規律與變形機理[J].東北大學學報(自然科學版)，2015，36(8)：1175-1178.

[7]廖九波.中厚急傾斜破碎磷礦體安全高效開采技術研究[D].長沙：中南大學，2013.

[8]范文錄.中厚急傾斜破碎礦體開采人工假頂結構研究與應用[D].長沙：中南大學，2013.

[9]李國華.玲瓏金礦傾斜中厚破碎礦體高效采礦技術研究[D].沈陽：東北大學，2014.

[10]馬元軍，張 艷，衛志強.急傾斜中厚礦體開采破碎圍巖移動規律研究[J].化工礦物與加工，2016，10(3)：38-41.

2017-06-17)

鐘 勇(1989-)，男，湖北監利人，碩士，主要從事采礦方法及地壓管理研究,Email：541592747@qq.com。