顶底柱破碎残矿体开采安全技术

颜秉超

(山东地矿集团有限公司)



顶底柱破碎残矿体开采安全技术

颜秉超

(山东地矿集团有限公司)

随着新城金矿的大量开采，矿体顶底柱残矿量持续增加，已占全矿储量的8%，且矿石品位较高,为有效回收利用顶底柱残矿资源，分析了该矿的地质情况，通过矿山岩石力学试验、现场地压测试，选择采场进路宽度4～6 m、进路长度30 m进行开采。

残矿开采 岩石力学 回采宽度

矿产资源的大规模开发利用，导致许多矿山面临资源枯竭的危险[1-2]。由于受到矿体赋存形态、地质勘查程度、采矿方法、投资回收期等因素的影响，在矿石开采过程中常常出现采富弃贫、采易弃难等现象，致使地下存在大量的残矿体，且品位较高，极具回收价值。因此，安全高效回采残矿资源，成为采矿界亟需解决的一大难题[3-4]。

1 残矿体开采地质概况

新城金矿矿区位于沂沐断裂东侧，胶东隆起的西北部，栖霞背斜的北翼，黄县—掖县弧形断裂带的南西端，即焦家断裂带上，地质构造及裂隙较为发育。断裂带走向北东40°，倾向北西，倾角26°～30°。距离地表较近的1#矿体为主矿体，已经基本开采完毕，仅有上部残矿与-470 m水平以下少量矿石尚未开采。矿岩整体较为稳固，大部分巷道无需支护，但局部地段围岩较为破碎，裂隙比较发育[5-6]。矿体上盘岩石主要为绢英岩、绢英岩花岗质碎裂岩，下盘为硅化绢云母化似斑状花岗闪长岩。矿体赋存于黄铁绢英岩化或硅化、绢云母化花岗闪长质碎裂岩中。矿体下盘围岩及部分矿体强度较高，普氏系数为8～10。矿井水文地质条件简单[7-8]。

2 矿岩物理力学试验

为反映上下盘围岩及矿体的岩石力学参数，采用电子天平、游标卡尺、WEP-600微机控制屏显万能试验机、100 t压力传感器、开天4600计算机及相应的绘图机(图1)进行矿岩物理力学试验。在井下-120 m矿体上下盘取样，并加工成岩石试件，如图2所示，所得矿岩物理力学参数见表1。

图1 数据处理设备

图2 测试试样

岩性单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)绢英岩花岗质碎裂岩85．7321．224．8744．32黄铁绢英岩花岗碎裂岩135．926．58．5345．78斑状花岗闪长岩125．524．866．3745．21

3 地压测试

围岩应力和变形是地质、采矿各种因素综合影响的结果，是评价现场采掘工作是否安全的关键因素，也是判断采场是否需要采取支护措施、支护方式、检验支护效果的重要指标。

1407采场测点布置见图3[9-10]，对1407#、1408#、1409#采场的4个断面布点，其中3个断面进行了有效测量，如图4～图6所示。

(1)进路采矿过程中，随采矿的推进，进路顶板中各断面压力和位移均有不同程度的变化。其中1#断面的水平压力变化最大，为14.5 MPa，为垂直压力变化的3倍多；水平位移和垂直位移变化都比较大，其他断面较1#断面稍小，但总体上变化规律相似。

图3 1407#采场测点布置(-145 m平面)

图4 1#断面压力及位移测量曲线

图5 2#断面压力及位移测量曲线

图6 3#断面压力及位移测量曲线

(2)测量断面压力和位移的变化与进路走向推进距离有关，开始阶段变化急剧，增长快，待回采推进5～6 m之后，变化值趋于稳定。

4 回采进路的宽度确定

4.1 力学模型建立

采用进路式回采，矿石采出后，直接顶为分层矿体或人工假顶，假顶上方进行尾砂充填。因此，回采进路宽度的直接顶分为分层矿体和人工假顶承载的两种情况考虑[11]。根据进路开采特点，采用梁结构极限稳定理论来分析矿体或人工假顶的宽度，建立梁结构力学计算模型，如图7。设水平应力和垂直应力分别为p，q。

图7 梁结构力学计算模型

4.2 最大挠度的确定

(1)最大挠度计算。

(1)

从式(1)可知，挠度与垂直载荷成线性关系，与水平载荷呈非线性关系，随着水平力的改变，最大变形将发生在梁的中部，即x=l/2处。

最大挠度[12]为

(2)

(2)最大许可挠度计算。设梁的许用拉应力为[σt],则

(3)

进路的变形正比于进路宽度的4次方，即宽度增加一倍，变形量增加16倍，即进路宽度增加一倍，则水平临界载荷减少4倍。对于水平应力较大的矿井，采用大宽度进路开采有可能会由于水平力的影响而造成垮顶。因此，在新城金矿的开采中，以尽量不增大进路宽度为宜，选择采场进路宽度4～6 m、进路长度30 m。

5 结 论

(1)对于顶底柱残矿回收，试验地段上盘围岩抗剪切强度低，下盘围岩比上盘围岩抗剪切强度大。矿块上盘的焦家主断裂面有10～20 cm厚的断层泥，遇水极易软化。

(2)在-120 m残矿回采地段上盘、矿体及下盘进行了取样，分别进行了密度试验、单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、抗剪试验。

(3)通过现场测试，得到了残矿回采区域的原岩应力场，及进路采矿过程中进路顶板压力与位移的变化关系。

(4)当进路垂直主应力时，进路的受力情况及稳定性是最差的；当进路平行主应力时，进路的受力情况及稳定性最好。应用极限分析法和薄板理论，根据1407#采场实际情况，计算得到采场进路宽度4～6m、进路长度30m。

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2016-08-31)

颜秉超(1983—)，男，工程师，250014 山东省济南市历下区历山路74号。