崩落采礦轉型安全隔離層厚度的確定

摘要：某礦山由無底柱分段崩落采礦法轉型為充填采礦法的過渡階段，需預留一定厚度的安全隔離層。采用簡化梁法理論計算了隔離層的安全厚度為18.2 m;采用Flac數值模擬軟件對現場建模并進行模擬研究以驗證理論計算結果。研究發現，充填前后，采空區周圍拉應力變化較小，基本保持在0.3 MPa以下，而地表應力基本沒有變化。通過對地表位移研究發現，安全隔離層厚度18.2 m時，滿足安全生產要求。數值模擬結果與理論計算值一致，表明該值具有合理性。

關鍵詞：無底柱分段崩落采礦法;充填采礦法;安全隔離層厚度;理論計算;數值模擬

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2021）11-0049-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20211109

引言

對于開采過程中將崩落采礦法更替為充填采礦法的礦山，存在采礦方法過渡階段。在過渡期間，為了避免不同采礦方法之間相互影響，或者已有采空區對新采礦方法的影響，保證安全生產，需要在過渡時期留一定厚度的礦體作為隔離層或隔離礦柱。因此，研究安全隔離層厚度對井下后續安全開采作業具有指導意義。

對于安全隔離層厚度的研究主要采用理論分析與Flac數值模擬的方式，例如：張海波等[1]采用理論計算與數值模擬相結合的研究手段得出采空區頂板失穩的臨界參數;SINGH等[2]采用不同的數值模擬方法對地下礦山開采中頂板厚度問題進行分析研究;劉愛華等[3]采用理論計算的方式初步估算了頂板穩定厚度，并采用Flac數值模擬軟件建立實體模擬，精確計算了頂板失穩臨界厚度;劉鵬等[4]針對合理隔離層厚度留設問題，采用材料力學、結構力學等7種理論計算方法綜合確定隔離層厚度，并結合Flac數值模擬軟件討論了理論計算結果的合理性。張欽禮等[5]采用ANSYS有限元分析軟件進行數值模擬得出隔離層的厚度，并采用理論計算的方式驗證了模擬結果的合理性。

某礦山在采用無底柱分段崩落采礦法開采過程中，存在采礦損失貧化難控制、地表易塌陷等問題，擬轉型為充填采礦法。因此，采礦方法過渡期間，需留設一定厚度的安全隔離層。綜上可知，理論計算與數值模擬在隔離層厚度研究中具有合理性，基于此，本文采用理論計算的方法得到安全隔離層厚度，并采用數值模擬對計算結果進行驗證，最終得出了合理厚度。

1工程背景

該礦山主礦體賦存標高580～1 202 m，鉆孔控制主礦體深度最大高差510 m。部分礦體位于當地侵蝕基準面以上。根據地表地形條件，上部可采用平硐開拓。礦體為含錫斑巖，圍巖主要是變粒巖，有部分片巖和片麻巖。礦體和圍巖基本完整穩固。除局部風化帶及個別破碎帶圍巖塊崩落需進行支護外，一般礦巖中無不良工程地質問題。礦巖機械物理參數為：礦石密度2.78 t/m3（表內錫礦石），巖石密度2.72 t/m3;礦石普氏硬度系數f=8～12，巖石普氏硬度系數f=7～14;礦石松散系數1.5～1.6;礦石自然安息角35°～38°。礦區所處地勢高，附近無大的地表水體，雖然礦體和圍巖屬統一裂隙含水層，礦體埋藏于潛水面以下，但含水層富水性弱，礦體又賦存于當地侵蝕基準面以上，利于自流排水。礦區水文地質條件屬簡單類型。

該礦山原采用無底柱分段崩落采礦法回采，由于頂板圍巖完整穩固，礦石回采后頂板無法自然崩落，從而形成了大量的采空區未處理，雖然礦體和圍巖均較穩固，地壓活動暫時不明顯，但給今后生產留下了重大安全隱患。采用無底柱分段崩落采礦法回采時，存在采礦損失貧化較難控制、地表易塌陷等問題。因此，經過綜合比較，選用充填采礦法進行回采，為保證下部礦體回采的安全，在無底柱分段崩落采礦法開采區域和充填開采區域間必須留設一定厚度的安全隔離層。只有確定合理有效的安全隔離層厚度，才能確保礦山順利完成采礦方法過渡，并實現安全高效回采。

2安全隔離層厚度理論計算

對于采礦方法轉型過渡時期的安全隔離層，由于其兩端固定，所以可近似看作板梁結構，結合彈性力學，單位寬度下隔離層受力及彎矩如圖1所示。圖1中各量的關系見式（1）。

M=112ql2（1）

根據相關學者的研究成果[6-7]，可以得出隔離層板梁的彎矩與應力：

M=（γδg+γ′δf）12l2（2）

w=bδ2g6（3）

式中：γ為上覆巖層容重，26.6 kN/m3;γ′為廢石覆蓋層容重（kN/m3），γ′=γ/1.66;δf為廢石層厚度（m）;w為阻力矩截面系數（m3）;b為梁寬（m）。

由計算可知，最大彎矩出現在采空區頂板中心位置，頂板失穩許用拉應力為：

σ許=Mw=（γδg+γ′δf）2bδ2gl2（4）

式中：σ許為許用拉應力（MPa）。

σ許≤σ極nKc（5）

式中：σ極為極限抗拉強度，取4.4 MPa;n為安全系數，可取1.5～3.0;Kc為結構削弱系數。

Kc值受巖石的堅固性、裂隙特點及夾層弱面等因素影響，為7～10。該礦山隔離層上部采礦已經停止，一般情況下不受外界擾動，只有當上部采空區突然坍塌時才會造成沖擊擾動，形成附加應力和動態荷載。因此，結構削弱系數仍為7～10。

因此，可根據上述公式計算得到頂板安全隔離層厚度，計算時取梁寬b=1 m。按兩端固定的厚梁模型計算安全隔離層厚度，其結果見表1。

3工程穩定性模擬

該礦床賦存標高600～1 060 m、3勘探線—12勘探線的礦體采用分期開采，900～1 060 m標高礦體為一期開采范圍;600～900 m標高礦體為二期開采范圍。中段高度為50 m，井下一期設1 042 m（回風分段）、1 000 m（首采中段，包括1 025 m、1 010 m及1 000 m 3個分段）、950 m、900 m共4個中（分）段。1 042～1 060 m設為隔離層，首采中段為1 000 m中段。

本次模型建立以充填采礦法回采工藝為原型，其參數為：中段高度50 m，分段高度15 m，采場跨度15 m。在前處理過程中對模型中不同單元進行分組，并賦予其力學參數、初始應力及邊界條件。根據采場實際開挖順序進行數值模擬，由于實際開采過程中，同一中段采場開采時間非連續，所以對其進行簡化，即同一中段的采場一次性開挖完成，在時間上是連續的。

選擇彈性模型來計算初始平衡，摩爾-庫侖模型計算后面的變形和破壞。巖體的物理力學性質依據地質報告，結果見表2。

本次分析針對上述數學方法計算隔離層的最大安全厚度18.2 m進行驗證。隨著中段采空區的產生，原始應力發生了釋放及重新分布，圍巖應力狀態隨之發生了改變，結果見圖2、圖3，下文對預留隔離層情況下，隨開挖過程的應力變化及其分布規律進行分析。

開挖后模型內的最小主應力分布區及其大小見圖4。由圖4-a）可知：在1 060 m分段空區未處理的情況下，1 042 m分段預留隔離層下采區未充填前形成采空區，其周邊圍巖中出現了拉應力，多為0.3 MPa以下，少數單元拉應力較大，接近但小于0.8 MPa。上部1 060 m分段采空區拉應力重新分布，且局部有增大趨勢，接近0.8 MPa。周邊地表拉應力的分布見圖4-b）。由圖4-b）可知，在北部周邊出現了拉應力，一般為0.4 MPa以內，應力得到了釋放，這是因為采場開挖導致地表發生了位移。假設1 060 m分段圖3開挖后模型的整體最小主應力分布示意圖采空區充填處理后，開挖后模型內的最小主應力分布區及其大小見圖5。由圖5-a）可知，在上部充填后新形成的采空區周邊圍巖中仍出現了較小拉應力，但變化不大，多為0.3 MPa以下。周邊地表拉應力的分布見圖5-b）。由圖5-b）可知，在北部周邊拉應力分布區基本沒有變化，但量值稍微減小，應力進一步得到了釋放。

地表三維透視圖見圖6。上部采空區充填前后預留隔離層18.2 m情況下開采后的地表位移分布見圖7、圖8。由圖6～8可知：1 060 m分段空區充填前后1 042 m分段預留隔離層下采區開采時，地表位移量最大值位于采區中心位置，其位移量均小于1.5 cm;距離采區中心位置越遠，位移量越小。

根據上述分析，預留隔離層厚度18.2 m的情況下，無論上部采空區充填與否，周邊圍巖應力變化和地表位移變化都在允許的范圍內，因此隔離層厚度18.2 m可以滿足下部安全生產要求。但是，當地表受到擾動，應力重新分布導致采空區產生位移，最后連帶影響隔離層，會對下部生產有一定的安全影響[7]，因此雖然上部不充填，預留18.2 m隔離層是不影響生產的，但為保障安全生產，建議礦山仍應盡快進行上部采空區的充填工作。另外，實際開采中，仍有地層變化、斷層及充填體強度等外在因素，綜合分析認為，安全隔離層厚度再適當取大，18～20 m為宜。

4結語

某礦山采礦方法由無底柱分段崩落采礦法轉型為充填采礦法，為了能夠安全有效地度過過渡時期，應留設一定厚度的礦體作為隔離層。采用簡化梁法對安全隔離層厚度進行理論計算，得出最佳隔離層厚度為18.2 m。采用Flac數值模擬軟件對理論計算結果進行模擬演算分析，通過對比1 060 m分段采空區充填前后1 042 m分段以下采場開采后有效主應力值可知：充填前后，有效主應力變化不大，基本維持在0.3 MPa，但充填后，北部周邊拉應力數值有一定減小。通過對比分析1 060 m分段采空區充填前后的地表位移量發現，在隔離層厚度為18.2 m時，充填前后地表位移量整體在1.5 cm以內，最大位移發生在采區中心位置，隨著與采區中心距離逐漸增大，整體位移逐漸減小。實際開采條件下的合理安全隔離層厚度為18～20 m。

[參 考 文 獻]

[1]張海波，宋衛東，付建新.大跨度空區頂板失穩臨界參數及穩定性分析[J].采礦與安全工程學報，2014，31（1）：66-71.

[2]SINGH G S P，MURTHYV M S R，SINGHU K.Applications of numerical modelling for strata control in mines[J].Geotechnical & Geological Engineering，2010，28（4）：513-524.

[3]劉愛華，董蕾.海水下基巖礦床安全開采頂板厚度計算方法[J].采礦與安全工程學報，2010，27（3）：335-340.

[4]劉鵬，趙興東，余斌，等.濱海基巖礦床安全開采合理隔離層厚度的確定[J].有色金屬工程，2020，10（6）：88-96.

[5]張欽禮，陳秋松，胡威，等.露天轉地下采礦隔離層研究[J].科技導報，2013，31（11）：33-37.

[6]李地元，李夕兵，趙國彥.露天開采下地下采空區頂板安全厚度的確定[C]∥中國煤炭工業勞動保護科學技術學會.首屆全國煤礦安全生產論壇論文集.北京：中國煤炭工業勞動保護科學技術學會，2005.

[7]寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于CMS及DIMINE-FLAC3D耦合技術的采空區穩定性分析與評價[J].礦業工程研究，2010，25（1）：31-35.

Determination of the thickness of the safe isolation layer in the transition of caving mining Liu Mingshu

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：During the transition of a mine from pillarless sublevel caving mining method to filling mining method，safe isolation layer of certain thickness need to be reserved.This paper used the simplified beam method to theoretically calculate the safe thickness of isolation layer in the goaf，which is 18.2 m.The Flac numerical simulation software was used to simulate the field model to verify the theoretical calculation results.The research finds that the tensile stress in the goaf is not changed much before and after filling，basically keeping below 0.3 MPa，while the surface stress remains basically the same.Research on the surface displacement shows that production safety is guaranteed when the thickness of safe isolation layer is 18.2 m.The numerical simulation results are consistent with the theoretical calculation results，verifying the reasonability of the value.

Keywords：pillarless sublevel caving mining method;filling mining method;safe thickness of isolation layer;theoretical calculation;numerical simulation

收稿日期：2021-06-18; 修回日期：2021-08-20

作者簡介：劉明戍（1969—），男，內蒙古包頭人，工程師，從事金屬礦山生產管理工作;福建省上杭縣紫金大道1號，紫金礦業集團股份有限公司，364200;Email：msl1969@126.com