緩傾斜中厚礦體分層開采與圍巖控制研究

池秀文 柴志杰 何治良 張聰瑞 任高峰

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；3.西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽621010）

在國內外采礦領域內，關于緩傾斜中厚礦體的開采一直是一個難題［1-2］。由于其賦存傾角較小，在開采緩傾斜中厚礦體時，采下的礦石無法依靠其本身的重力放出，在采場內進行開采時必須使用搬運設備［3］。當礦體厚度較小時，開采設備在采場內運轉不靈活；當礦體厚度較大時，采場空頂高，頂板管理工作較為困難，給企業的安全生產造成極大的隱患［4］；當礦區巖石質量較差時，為穩固圍巖，大量的礦柱需被留設［2］。

對于緩傾斜礦山開采技術，國內外學者展開了不同方面的研究。修蕾等［5］針對應用于緩傾斜中厚礦山的不同采礦方法分別闡述并對比分析，對未來各類采礦方法的發展方向、趨勢等進行了預測。諸利一等［6］通過對安全、成本、損失貧化率、回采率等技術經濟指標進行綜合考慮，設計條帶式開采嗣后充填法。劉曉輝等［7］改變脈內采準布置、開采參數、支護方式，提出預控頂分段嗣后充填的開采方案以提高經濟技術指標。池秀文等［8-9］通過分析不同開采參數下圍巖的采動特征及應力狀態，對采場結構設計參數進行了優化。Milev等［10］通過對礦山深部圍巖采動以及應力響應展開了研究。Jiang等［11］通過對房柱法開采地層壓力分布及上覆巖層結構運移規律展開研究，優化了采場結構及支護條件。然而對于圍巖質量較差且充填材料不足的緩傾斜中厚礦體深部開采，目前尚無安全、經濟、高效的采礦方法。本項目提出一種緩傾斜礦體分層條帶開采方法，并依據圍巖采動、應力分布對開采參數進行優化，以提高圍巖穩定性。

1 工程概況

1.1 礦山開采技術條件

挑水河磷礦礦體呈層狀產出，傾角4～8°，分布情況較為連續，礦體內包含2個主要工業磷礦層Ph2、Ph13［9］。其中主礦層 Ph2 北西走向，北東傾向，長3.0～5.07 km、寬 2.5～3.4 km，礦層埋深大，為 81.67～630.19 m，厚度1.6～14.7 m，屬緩傾斜薄至中厚礦體。主礦層開采深度達500 m且上盤圍巖質量較差，其中直接頂板內軟弱結構面或相對軟弱結構面發育、直接頂板以上的巖層中還存有強度弱的巖層［8］。礦區位置較為偏僻，充填骨料取材困難且其他來源充填成本較高，依據礦區的分布地形、礦體賦存及開采技術等條件，Ph2礦層設計開采方法為緩傾斜礦體分層條帶開采法。

1.2 緩傾斜礦體分層條帶開采法

根據礦體的賦存特征判斷，該礦體屬緩傾斜中厚礦體。由主礦層直接頂板結構面發育狀況判斷，直接頂板圍巖質量較差，需注意加強支護，然而采場空頂較高對頂板管理工作造成較大困難。本項目通過設計一種緩傾斜礦體分層條帶開采方法（圖1），將礦層分為上、下2層進行開采以解決采場圍巖管理工作困難的問題。

該采礦方法在盤區礦塊劃分、采準切割布置、回采充填工序上的方案如下。

（1）盤區劃分。將礦床分為階段開采，在各階段內進行盤區劃分，盤區沿走向布置。單個盤區沿礦體走向長度50～80 m，沿傾向長度80～120 m。階段運輸巷沿走向掘進。

（2）采準切割布置。從盤區中部沿底板上、下山巷道，以上山巷道底部為界將礦層分為上下2層，以上山為界左右劃分相同數量的礦房。盤區內不設溜井。

（3）回采充填工序。盤區設定3個步驟完成回采：第一步驟先進行條帶上層礦房礦石回采工作，后進行同條帶下層礦房礦石回采工作，同條帶上下2個礦房回采完成后統一充填；二步驟同一步驟重復間隔回采、充填盤區礦體直至盤區邊界；三步驟將盤區內剩余礦體進行回采。

2 采場結構優化

2.1 優化方案

在采用不同的采場結構設計參數條件下，采場圍巖的應力分布有較大差異，而圍巖的應力狀態直接影響采場頂底板的穩定性。為更好地進行采場頂底板圍巖管理，應選擇設計合理的采場結構參數。

在進行多因素方案優化研究時，正交試驗法因其可以運用數理統計與正交原理，從部分方案中尋找出全局最優方案，大大減少試驗次數的特點被眾多學者廣泛使用［12］。本研究以挑水河磷礦Ph2主礦層為開采對象，以主礦層頂、底板圍巖為主要研究對象，使用緩傾斜礦體分層條帶開采法，模擬礦體開采對采用的充填條帶寬度、留空區條帶寬度及不同充填灰砂比進行優化，設計3因素3水平正交試驗，進行模擬開采，研究不同方案下采場頂底板的穩定性，對采場圍巖進行控制管理。9組試驗方案的參數見表1。

2.2 礦山巖體力學參數

根據挑水河磷礦地質報告資料，結合大量的試驗資料，得出折減后的巖體力學參數見表2。充填體對圍巖的支撐作用因選用不同的充填材料而有所差異，本項目選用灰砂比分別為1∶5、1∶7、1∶9的1#、2#、3#充填材料對充填條帶進行充填，充填材料的物理力學參數見表2。

3 圍巖控制研究

3.1 數值建模及回采步驟

建立巖層數值模型模擬礦體回采工作，研究采用不同采場結構設計參數、充填材料時圍巖的應力、應變狀態，對圍巖狀況進行分析。依照緩傾斜礦體分層條帶開采法劃定礦房，礦房位置布設如圖2所示，按“隔一采一”，先開采劃定的充填條帶內的礦體，后開采劃定的留空區條帶內的礦體；各條帶內礦體開采按先行開采上層礦房、后再開采下層礦房的順序，依次開挖。其中，（11）、（12）、（31）、（32）、（51）、（52）、（71）、（72）、（91）、（92）礦房區域需進行充填。數值模擬礦房回采具體順序如表3。

3.2 數值計算模型

由于Ph2礦層傾角較小，將開采盤區簡化為水平布置。設定盤區長×寬×高為100 m×100 m×12 m，礦層分2層開采，故礦房高為6 m，盤區間礦柱25 m，上、下山巷道與盤區邊界距離10 m。根據彈塑性變形理論，圍巖主要影響區域為開挖區域的3～5倍［13］。設定計算模型尺寸為：700 m（X）×700 m（Y）×80 m（Z），據此在Flac3d軟件中建立采場三維實體模型，如圖3所示。

按前文設計的正交試驗方案，為建立的數值模型賦予材料屬性；按礦房劃分及回采、充填方案模擬盤區開采并分析9組試驗的模擬結果。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 位移分析

通過模擬正交設計試驗方案中的9組試驗方案，對比分析不同方案下不同位置的礦房頂、底板位移結果，得到各組試驗方案中，各條帶內礦房的頂板均產生了一定的沉降，礦房的底板出現了一定的隆起。

由圖4、圖5可知，在9種試驗方案中，各處礦房頂、底板的位移與礦房在盤區中所處位置具有一定關系，處于盤區中部的礦房頂、底板的位移量要大于盤區邊界礦房的頂底板位移量，各礦房中頂、底板位移量的最大值均位于在條帶6內礦房處；充填條帶1、3、5、7、9內的礦房頂、底板位移量明顯小于相鄰留空區條帶內礦房頂、底板位移量。由此可知，充填體的存在可有效減少圍巖移動，提高頂底板的穩定性；試驗3、7中，各條帶的礦房頂底板位移量均明顯大于其他各組試驗結果，從安全的角度出發，試驗3、7的開采參數較不合理。

3.3.2 塑性區與應力分析

充填條帶寬度與充填體材料力學性質對礦體開采后充填體的應力應變、圍巖穩定至關重要［14］。由圖6可知，受盤區間礦柱的影響，靠近盤區邊界的充填條帶1、9內的充填體應力值要小于盤區中部充填條帶3、5、7內的充填體應力值；9組試驗中，盤區內各充填體應力最大值均位于充填條帶5內。

在不同充填材料、不同的應力狀態下，充填條帶的塑性區占充填體的比例見表4。由表中數據可知，隨著充填條帶寬度的增大、留空區條帶寬度的減小，塑性區比例有所降低。塑性區比例降低，可提高礦房內的充填體的有效承載能力，但二者之間并非線性相關。提高充填材料的灰砂比，可使充填體的塑性區比例在一定范圍內減小，但塑性區比例對灰砂比的敏感性顯著小于對充填條帶寬度的敏感性。考慮到礦山的實際生產狀況，充填所需的砂石資源較少，優先選擇使用充采比較小、灰砂比較小的方案。

以9組試驗中充填體應力狀況均具有代表性的條帶5內充填體作為研究對象，分析充填體的穩定性。依據庫倫準則與材料破壞極限應力圓理論，計算充填材料抗壓強度；根據礦柱極限強度理論，計算條帶開采充填體有效承載的極限應力荷載［14］。根據充填體應力荷載與充填礦柱極限應力荷載計算各組試驗條帶5內充填體的安全系數見表5。

參考國內外礦山資料，礦山開采多要求礦柱安全系數為 1.5～2.0［14］。在圍巖質量較差的情況下，為保證頂底板的穩定性，應適當增大對礦柱安全系數的要求。如表5所示，各試驗組中條帶5內充填體的安全系數均滿足要求，其中試驗5中的充填礦柱安全系數顯著高于其他各組試驗，且比一般要求高出89.5%，造成一定的浪費。

在各組試驗結果中，試驗1、4、6、9號4組試驗中各處充填礦柱的應力值均大于其他各組試驗充填礦柱，充填體安全系數較小。綜合考慮礦層頂板節理發育狀況及圍巖中弱結構面的存在，從安全的角度出發，初選試驗2、5的開采參數。

對比分析試驗2與試驗5，試驗5在充采比增加了10.5%，灰砂比增加22%的條件下，礦柱的安全系數由2.82提升至3.79。由經濟的角度出發進行綜合考慮，確定試驗2為最佳開采方案，即采用充填條帶寬度8 m，留空區條帶寬度6 m，充填材料灰砂比為1∶7作為實際生產開采參數。

3.3.3 軟弱結構面穩定性分析

在進行礦房的頂底板管理時，通過采用充填礦柱及錨桿加固等方法約束礦房頂底板的豎向位移。受巷道掘進影響，巷道周邊圍巖的應力向巷道中心進行釋放；直接頂板因為軟弱結構面發育，圍巖抗拉強度極小。當軟弱結構面的應力狀態軟化系數即切應力與正應力之比較大時，軟弱結構面易發生滑移、分離，需在該位置加強支護。以采場頂板中距離采場頂部4 m處的水平軟弱結構面為研究對象，在巷道、礦房開挖時，通過采用不同的支護強度在巷道臨空面上施加不同的支護阻力，分析不同位置軟弱結構面的應力狀態軟化系數。

以上山巷道中心線處X值為坐標原點，將巷道臨空面在分別施加支護強度、2種支護阻力下軟弱結構面中各位置應力狀態軟化系數制作曲線如圖7。從圖7中可以看出，受巷道開挖及礦體開采影響，上山巷道周邊軟弱結構面的應力狀態軟化系數有一定提升，使軟弱結構面的穩定性降低；對巷道臨空面進行支護，施加支護阻力可使巷道周邊軟弱結構面的應力狀態軟化系數產生一定降低，提高軟弱結構面的穩定性。

巷道與采場之間存有10 m寬的盤區礦柱。由圖7可知，軟弱結構面中的應力狀態軟化系數由左向右，在經過巷道頂部位置處產生一定提升后回落；在進入礦房區域后軟化系數發生明顯的變化，在由盤區礦柱進入礦房區域上部后軟化系數先急劇提升后降低至平穩，在礦房邊緣上部的軟弱結構面穩定性明顯降低。

采場頂板圍巖的摩擦角為35.4°，因軟弱結構面抗拉強度極小忽略不計，為便于分析討論，設抗拉強度為零且無剪脹，計算軟弱結構面發生滑移的極限軟化系數［15］為0.71，據此由圖7判斷軟弱結構面內可能產生滑移破壞的區域為巷道頂部及礦房邊緣距盤區礦柱2～13 m內。

4 結 論

（1）對于緩傾斜中厚礦體，依據礦體的賦存特征、圍巖質量條件，可使用緩傾斜礦體分層條帶開采法進行開采。

（2）結合挑水河磷礦工程地質條件，采用緩傾斜礦體分層條帶開采法，并對開采參數進行優化，得出最優采場結構參數為：充填條帶寬度8 m，留空區條帶寬度6 m，充填材料灰砂比為1∶7。

（3）根據應力狀態軟化系數判斷采場頂板內4 m處水平軟弱結構面的穩定性，判斷軟弱結構面內易發生滑移的區域位置為上山巷道頂部以及礦房邊緣距盤區礦柱2～13 m內。