傾斜-急傾斜多層礦床充填法安全開采高度研究

吳愛祥，陳順滿，王貽明

( 1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京,100083;2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京,100083)

傾斜-急傾斜多層礦床充填法安全開采高度研究

吳愛祥，陳順滿，王貽明

( 1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京,100083;2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京,100083)

通過分析傾斜-急傾斜多層礦床各礦層間的位置關系，并結合國內外采用充填法作業(yè)的礦山工程實例，運用函數(shù)擬合方法，推導出多層礦床安全開采高度的計算公式。以某銅礦為研究對象，設計采用5因素、5水平正交試驗對安全開采高度的影響因素進行敏感性分析，并討論主要影響因素與安全開采高度的關系。結果表明，礦層間距、礦體傾角和地下水對安全開采高度的影響最為顯著，圍巖地質構造特征和普氏系數(shù)的影響次之；安全開采高度與礦層間距呈線性正相關關系，與礦體傾角呈非線性正相關關系，與地下水影響程度呈非線性負相關關系。根據所推導的計算公式以及實際的礦體賦存條件和圍巖參數(shù)，得到該礦的安全開采高度為3.71～5.38 m，同時針對開采方案提出了相關建議。

安全開采高度；多層礦床；充填法；巖層移動角；正交試驗；敏感性分析

所謂多層礦床是由多層礦體相互排列而成，礦層之間夾雜著廢石或者達不到開采品位的礦石。由于多層礦床的特殊空間關系，其上下礦體的開采彼此會相互影響，對相鄰礦體的應力擾動程度以及圍巖裂隙的發(fā)展程度都很難預料，從而給礦山的安全生產、采準工程布置和地壓管理等帶來不利影響，因此研究多層礦床各礦體之間的相互擾動關系，確定合理的安全開采高度，對礦山的安全、高效生產具有重要意義。

李鈾等[1]通過對采區(qū)上覆巖層的移動規(guī)律及工程實踐進行總結，分析了影響礦山安全開采深度的主要因素。林坤峰等[2]以江西省彭澤縣上橫山緩傾斜多層釩礦為研究對象，對多層礦床的合理采礦方法進行了探討。葉義成等[3]通過相似模擬實驗和數(shù)值模擬相結合的方法，研究了多層礦床開采過程中的圍巖壓力變化規(guī)律及合理的回采順序。劉敏[4]結合上橫山礦區(qū)多層釩礦體的工程地質概況，運用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對多層礦重復采動下的圍巖應力和巖體移動規(guī)律進行研究。胡倩等[5]通過理論推導得到多層礦床的安全開采高度計算公式，并對其影響因素進行了探討，但考慮的因素不夠全面，與實際情況有差距。文獻[6-8]主要針對多層礦床的采礦工藝進行研究，探討了多層礦床開采方案的高效性。

本文在前人研究成果的基礎上，首先采用理論分析方法推導充填法開采過程中傾斜-急傾斜多層礦床的安全開采高度計算公式，并以國內外充填法開采礦山的基礎數(shù)據為依據，擬合得到上述公式中巖層移動角的計算方法，使得在確定安全開采高度時考慮的因素更加全面合理；然后運用正交試驗方法，以湖北省某銅礦為工程實例，對安全開采高度的主要影響因素進行敏感性分析，并得到該礦的安全開采高度范圍，從而為礦山的安全高效作業(yè)提供參考。

1 安全開采高度的計算方法

影響多層礦床安全開采高度的主要因素有：礦石和圍巖的物理力學性質、地質構造特征、地下水的影響、礦體的賦存條件以及礦體開采過程(包括采礦方法、開采深度、開采厚度等)。本文以相鄰且相互平行的傾斜-急傾斜多層礦床為研究對象(見圖1)，推導先開采下層礦體、后開采上層礦體的安全開采高度計算公式。圖1中，a為礦層水平間距，b為Ⅰ號礦體的水平厚度，c為Ⅱ號礦體的水平厚度，α1和α2分別為Ⅰ號、Ⅱ號礦體的傾角，γ1和γ2分別為Ⅰ號、Ⅱ號礦體的下盤巖層移動角，β1和β2分別為Ⅰ號、Ⅱ號礦體的上盤巖層移動角，H為安全開采高度。

圖1 傾斜-急傾斜多層礦床示意圖

Fig.1Schematicdiagramofinclinedandsteeplyinclinedmultilayerdeposits

根據圖1可得到如下關系式：

(1)

(2)

綜合式(1)和式(2)可得：

(3)

由式(3)可知，先開采下層礦體后開采上層礦體時的安全開采高度主要與礦層水平間距a、下層礦體的上盤巖層移動角β2和上層礦體的傾角α1有關，這其中比較難以確定的就是巖層移動角β2。

劉欽等[9]運用神經網絡方法建立了金屬礦床開采的巖層移動角與其影響因素的知識庫模型，并通過敏感性分析得到：普氏系數(shù)為巖層移動角的決定因素，上下盤圍巖地質構造特征(這里主要指圍巖穩(wěn)固程度)和地下水為巖層移動角的主要影響因素，礦體走向長度、礦體傾角、開采厚度和開采深度等為次要影響因素。因此本文也主要考慮普氏系數(shù)、圍巖地質構造特征及地下水對巖層移動角的影響，以國內外部分充填法開采礦山的基礎數(shù)據為依據(見表1)，對影響巖層移動角的這3個因素進行線性回歸分析。

參照已有的研究成果及相關國家規(guī)范，將圍巖的地質構造特征分為極其穩(wěn)固、穩(wěn)固、中等穩(wěn)固、比較穩(wěn)固和不穩(wěn)固共5個等級，將地下水的影響程度分為無影響、較低、中等、較嚴重和嚴重共5個等級。這兩個指標都為定性指標，在分析中需將其定量化。圍巖地質構造特征的量化規(guī)定為：極其穩(wěn)固為1.0，穩(wěn)固為0.8，中等穩(wěn)固為0.6，比較穩(wěn)固為0.4，不穩(wěn)固為0.2；地下水影響程度的量化規(guī)定為：無影響為1.0，較低為0.8，中等為0.6，較嚴重為0.4，嚴重為0.2。

表1 部分充填法開采礦山的巖層移動角統(tǒng)計數(shù)據[9]

將主要影響因素標定為：普氏系數(shù)C1、圍巖地質構造特征C2、地下水影響程度C3。通過多元線性回歸分析得到上盤巖層移動角β和下盤巖層移動角γ與主要影響因素的關系式：

β=41.408+1.641C1+3.301C2+21.979C3，
相關系數(shù)R2=0.9180，標準誤差S=2.68%

(4)

γ=445.647+2.535C1-8.366C2+13.488C3，
相關系數(shù)R2=0.9298，標準誤差S=2.44%

(5)

將式(4)代入式(3)即可得到安全開采高度的計算公式為：

H=a/[cotα1+cot(41.408+

1.641C1+3.301C2+21`.979C3)]

(6)

2 安全開采高度影響因素的敏感性分析

湖北省某銅礦為矽卡巖型銅鐵礦體，由于礦體品位變化較大，在現(xiàn)有的技術條件下，只開采了品位較高的礦體，因此導致礦體出現(xiàn)多層現(xiàn)象，多層礦床之間為夾石。礦體平均厚度約10 m，為急傾斜礦體，沿走向長度為200～400 m。該礦區(qū)的礦體賦存條件及圍巖參數(shù)如表2所示。

根據式(6)可知，影響安全開采高度的主要因素有礦層水平間距、普氏系數(shù)、圍巖地質構造特征、地下水影響程度和礦體傾角，因此設計采用5因素、5水平的正交試驗對安全開采高度的影響因素進行敏感性分析[10-11]。將5個因素的各水平值控制在適當范圍內，如表3所示。

表2 礦體賦存條件及圍巖參數(shù)

表3 正交試驗因素水平表

表4為正交試驗方案及極差分析結果。按照極差大小進行排序，確定多層礦床安全開采高度的影響因素主次關系為：礦層水平間距>礦體傾角>地下水影響程度>圍巖地質構造特征>普氏系數(shù)。

表4 正交試驗方案及分析結果

由于安全開采高度對礦層間距、礦體傾角、地下水影響程度的變化更為敏感，因此下面主要分析安全開采高度H與這3個影響因素之間的關系。具體方法為：將其他4個影響因素作為不變量，按所研究銅礦的礦體賦存條件及圍巖參數(shù)確定其取值，然后分別作出安全開采高度H與礦層水平間距a、礦體傾角α1、地下水影響程度C3的關系曲線，如圖2所示。由圖2可見，H與a呈線性正相關關系，與α1和C3呈非線性關系；礦層水平間距和礦體傾角越大，安全開采高度隨之增大；地下水影響程度越小，安全開采高度就越大。

(b)a=5 m，C1=8，C2=0.6，C3=0.4

(c)a=5 m，C1=8，C2=0.6，α1=50°

圖2安全開采高度與礦層間距、礦體傾角和地下水影響程度的關系曲線

Fig.2Relationcurvesofsafeminingheightwithseamspacing,orebodydipangleandtheeffectofgroundwater

另外，根據該銅礦的賦存條件及圍巖參數(shù)情況，得到安全開采高度的變化范圍為3.71～5.38 m，因此鑒于該礦的采礦方法，只能采用將兩層礦合采或者分層開采的方式進行作業(yè)。在前期應加強勘探和地質調查工作，以便準確地掌握礦體賦存條件，從而確定合理的安全開采高度；在開采過程中，還要加強對圍巖及地下水的處理，為安全開采提供有利條件。

3 結論

(1)通過分析多層礦床各礦層間的位置關系，并結合國內外采用充填法作業(yè)的礦山工程實例，運用函數(shù)擬合方法，推導出了多層礦床安全開采高度與礦層間距、礦體傾角、普氏系數(shù)、圍巖地質構造特征、地下水影響程度的關系式。

(2)以湖北省某銅礦為研究實例，通過正交極差分析，得到多層礦床安全開采高度的主要影響因素的主次關系為：礦層水平間距>礦體傾角>地下水影響程度>圍巖地質構造特征>普氏系數(shù)。

(3)根據所推導的多層礦床安全開采高度計算公式以及該銅礦的礦體賦存條件和圍巖參數(shù)，分析得出安全開采高度與礦層水平間距呈線性正相關關系，與礦體傾角和地下水影響程度量化值呈非線性關系；礦層水平間距和礦體傾角越大，安全開采高度越大；地下水影響程度越小，安全開采高度越大。同時確定了該礦的安全開采高度取值范圍，能為礦山選取合理的開采方案提供參考。

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Safeminingheightofinclinedandsteeplyinclinedmultilayerdepositsusingbackfillingmethod

WuAixiang,ChenShunman,WangYiming

(1. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China; 2. School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China)

By analyzing the position relation between the seams in inclined and steeply inclined multilayer deposits, this paper deduced a formula to calculate the safe mining heightHof multilayer deposits by function fitting method based on the statistical data from some domestic and overseas mines using backfilling method. With a copper mine as an example, an orthogonal experiment considering five factors and five levels was designed for the sensitivity analysis of factors influencing the safe mining heightH, and the relationships between the main factors andHwere also studied. The results show that seam spacing, orebody dip angle and groundwater have significant impact on the safe mining heightH, while geological structure characteristics and Protodyakonov coefficient have less effect. The safe mining heightHhas a linear positive correlation with the seam spacing, a non-linear positive correlation with the orebody dip angle and a non-linear negative correlation with the effect of groundwater. According to the proposed formula and the parameters of the orebodies and rocks, safe mining height of the copper mine ranges from 3.71 m to 5.38 m. Some suggestions about the mining schemes are also provided.

safe mining height; multilayer deposits; backfilling method; angle of strata movement; orthogonal experiment; sensitivity analysis

2016-10-22

國家自然科學基金資助項目(51574013，51674012).

吳愛祥(1963-)，男，北京科技大學教授，博士生導師.E-mail：wuaixiangustb@sina.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.013

TD853

A

1674-3644(2017)05-0390-05

[責任編輯尚晶]