充填开采安全深度与保安矿柱圈定研究

池秀文,吕占胜，张文举，张聪瑞

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070； 2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

保安矿柱的圈定问题是矿山深部开采中重要的研究内容[1]，湖北三鑫金铜股份有限公司(以下简称三鑫金铜矿)采用充填采矿法，为保护地表工业场地及井筒，留有较多保安矿柱，尤其是桃花嘴-570 m以下中段，保安矿柱压矿严重。为最大限度减少保安矿柱圈定范围，提高矿产资源采出率，同时又能有效地保护地表地貌和井筒等重要建筑物，减少采动损害，深入开展保安矿柱圈定方法的研究很有意义。

文献[2]记载，红透山铜矿井筒下部压矿严重，传统法圈定保安矿柱范围较大，使用安全深度结合岩移角重新圈定井筒保安矿柱，将圈定范围上界由-289 m改为+73 m，保安矿柱范围大面积减少，实践证明用安全深度圈定保安矿柱是可行的。

安全深度的概念被提出后，由于矿山地质条件的复杂性，开采因素多样性，多个参数难以确定，所以始终没有明确的确定安全深度的方法[3-5]。扬重工[6]提出的用采深比和跨深比的概念预测安全深度，实际上属于经验预测。王志方[7]提出安全深度计算方法，认为矿体赋存深度大于开采引起的上覆岩层冒落带和下沉带之和时，下沉移动便不会传递到地表，此时下沉带顶端以下即为安全开采深度。崔希民等[8]从地表建筑物的临界变形着手，分析安全开采深度与保护物等级变形要求的关系，计算出安全开采深度，为指导地下开采和建筑物搬迁提供理论依据。鉴于以上不足，以压矿严重的三鑫金铜矿桃花嘴矿区为工程背景，运用理论计算以及有限元数值模拟对安全深度的确定进行研究。

1 工程概况

三鑫金铜矿桃花嘴矿床压矿量较多，桃花嘴矿床共有3个矿体群，分布有十几个矿体，其中以桃Ⅱ矿体群中的Ⅱ-4矿体规模最大，铜金属储量占有量达整个矿区的77%，是矿山铜产量的主要来源。本次研究以Ⅱ-4矿体为研究对象，Ⅱ-4矿体赋存深度为-210～-620 m，水平厚度20～40 m，矿体走向35°，矿体倾角为60～75°，为北西方向倾斜，矿体内矿石类型丰富，主要包含铜矿石、金矿石、铁矿石等。

2 充填开采安全深度理论计算

地下开采活动对岩层及地表影响的根本原因是下沉量，因为由地表下沉引起的倾斜变形、水平变形、曲率才是造成地表地貌、地表重要建筑物损坏的直接原因，因此主要研究倾斜变形、水平变形、曲率与安全深度之间的数学关系。

概率积分法是基于随机介质理论基础提出的[9-10]，概率积分法关于倾斜变形的最大值imax，水平变形的最大值εmax与曲率最大值kmax的计算见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：Wmax为地表最大下沉量；β为采动影响角，tanβ为采动影响正切值；H为开采深度；b为水平移动系数。

由式(1)～(3)可得与之相对应的开采深度，见式(4)～(6)，式中Wmax表达式见式(7)。

(4)

(5)

(6)

Wmax=mηqcosα

(7)

式中：q为下沉系数；α为矿体倾角；m为开采厚度，对于充填开采的矿山，需要引用等效采厚概念；η为等效采厚系数；其他符号含义同上。

煤炭工业局的文献中规定地表砖石结构建筑物的临界变形值分别是i临界=3×10-3m/m，ε临界=2×10-3m/m，k临界=0.2×10-3m-1，工业场地建筑多为砖石结构，需要将地下开采引起地表变形值控制在临界值内。当由开采深度引起的地表变形在临界值内时，开采深度是安全的，三个变形指标临界值分别对应三个临界开采深度，故将各项临界值代入式(4)～(6)中得出临界开采深度，见式(8)～(10)。

Hi=333mηqcosαtanβ

(8)

Hε=760bmηqcosαtanβ

(9)

(10)

确定临界开采深度H临时，取Hi、Hε、Hk之间的最大值。

参考类似充填开采矿山的预计参数，结合本矿研究区域的顶板岩性和充填条件，确定概率积分参数为，b=0.3，q=0.322，tanβ=2，开采厚度m=20 m，等效采厚系数η=0.2，矿体倾角60°。将各项参数代入式(8)～(10)中，得：Hi=428.9 m，Hε=293.6 m，Hk=139.9 m。

则取H临=Hi，临界开采深度认为赋存在-428.9 m以下的矿体开采不会对地表产生影响，即充填开采临界安全深度为-428.9 m。

3 有限元数值模拟研究

3.1 建立有限元计算模型

通过数学计算，得出临界安全开采深度为-428.9 m，为验证以及进一步确定安全开采深度，本次模拟研究区域为-470～-420 m中段，将矿体分为12层，第一分层厚度为5 m，其余各分层为4 m。为了更清晰地观测井筒位移应力变化情况，确定模型尺寸：长(x)×宽(y)×高(z)=140 m×300 m×140 m，井筒位于模型左侧，直径6 m，井壁厚度0.5 m。模型中X轴方向为正向向东，Y轴方向为矿体走向方向，Z轴方向为垂直方向向上。井筒、矿体相对位置见图1。

图1 井筒、矿体相对位置示意图

图2 FLAC3D中矿体、井筒模型图

表1 矿岩物理力学参数

3.2 物理参数的选取

在调研矿山地质资料与现场试验的基础上，对室内岩石物理参数进行工程化处理，得到模拟用的矿岩物理力学参数，见表1。

4 数值模拟结果分析

模拟内容为开采过程中采场顶板下沉量与塑性区分布、井筒位移与应力变化情况。通过判定开采过程力学参数的变化情况，从而判定开采活动是否对顶板、井筒造成影响，即可找到开采安全深度。

4.1 顶板下沉量与塑性区分布分析

4.1.1 顶板下沉量分析

取不同分层开采时XZ平面上的切面，分析不同分层开采时顶板下沉量和开采活动对上覆岩层的影响，取第二分层(-462 m)、第五分层(-450 m)、第八分层(-438 m)、第十一分层(-426 m)的位移云图，详见图3。

图3 开采各分层时顶板位移云图

由图3可知，初期开采时，开采引起的位移变化区域较小，第二分层开采时位移变化主要集中在顶板，顶板最大下沉量21.9 mm，随着开采向上进行，顶板下沉量不断增大，开采十一分层时顶板最大下沉量为31.4 mm，下沉量均在安全范围内。随着开采向上进行，位移变化区域不断增大，第八层开采和第十一层开采时位移变化区域趋于稳定，开采八分层以下矿体对上部岩层影响有限，可认为进入安全深度范围。

4.1.2 顶板塑性区分析

取不同分层开采时XZ平面上的切面，分析不同分层开采时顶板塑性区分布情况，取第二分层、第五分层、第八分层、第十一分层的塑性区分布图，详见图4。

图4 开采各分层时顶板塑性区分布

对比不同分层开采时塑性区分布，在开采过程顶底板曾发生过剪切破坏和拉伸破坏，说明开采过程中曾存在破坏。随着开采向上进行，塑性区域不断扩大，开采活动对下部的影响大于上部，开采第八分层以下矿体时对上覆岩层的影响有限。

4.2 井筒稳定性分析

4.2.1 井筒位移变化分析

每年度召开两次各街道耕保人员会议，落实该年度耕地质量监测工作；研究部署工作任务，确保工作能够顺利开展；在关键环节召开技术培训，通过技术培训，提高耕地质量监测人员的业务水平，促进全区耕地质量监测工作高质量完成。

为了分析不同分层矿体开采时，井筒竖向位移、水平位移的变化情况，做XZ平面(Y轴垂直面)、XY平面(Z轴垂直面)的切面，对不同时期的井筒竖向位移、水平位移进行比较。分别取第二分层、第五分层、第八分层、第十一分层的位移云图，详见图5。

由图5可得出，在开采初期井筒整体下沉量均匀，随着开采向上进行，井筒上部的下沉量增加明显，井筒上部下沉量大于下部，开采活动对上部的影响较大；开采初期井筒水平位移量为负，主要受到附近岩层拉应力作用，第八层开采后不再出现负位移，且随着向上开采井筒水平位移不断增大。

4.2.2 井筒应力分析

不同分层矿体开采后，分析井筒竖向应力、水平应力变化情况，做XZ平面、XY平面的切面，对井筒竖向应力、水平应力变化进行横向对比。分别取第二分层、第五分层、第八分层、第十一分层应力云图，详见图6。

由图6可得出，井筒的竖向应力大于水平应力，且水平应力分布均匀，随着开采向上进行水平应力有减小的趋势，各分层水平应力变化不大；开采初期，井筒竖向应力分布均匀，井筒整体应力变化小，随着开采向上进行，井筒上部应力变化不明显，井筒下部应力变化较快，且随着开采向上进行不断加快，当开采到第八层和第十一层时井筒下部竖向应力明显大于上部。

图5 开采各分层时井筒竖向位移、水平位移云图

4.3 结果分析

通过分析各分层开采时顶板下沉量与塑性区分布、井筒位移与应力变化情况，得出：开采第八分层以下矿体时对上部岩层影响有限，采空区上部塑性破坏区域较小且趋于稳定，岩移活动不再向上传递；井筒水平、竖向位移变化不大，且变化较为规律，对井筒不造成影响。把第八分层的开采深度-442 m代入式(1)～(3)中，可得此时的井筒倾斜变形值i=2.9×10-3m/m，水平变形值ε=1.3×10-3m/m与曲率值k=2.0×10-5m-1，均在临界变形值内，符合安全规定。因此可认为第八分层位置处为开采安全深度，即安全深度为-442 m。

5 保安矿柱圈定

以安全深度-442 m为上边界，留出井筒保护带宽度20 m，结合岩移角60°对安全深度以下矿体重新圈定保安矿柱，与传统法相比大大减小了圈定范围，释放大量压矿。安全深度方法与原有传统方法圈定保安矿柱的范围对比见表2。

图6 开采各分层时井筒竖向应力、水平应力云图

表2 两种方法圈定矿柱范围对比

6 结 语

基于随机介质理论的概率积分法，反演了深部充填开采安全深度理论公式，计算了临界开采深度为-428.9 m。通过有限元数值模拟对理论计算进行验证以及进一步的精确化，对各分层开采时顶板下沉量与塑性区分布、井筒位移与应力变化进行了数值计算、分析，得出开采第八分层以下矿体时对顶板、井筒不造成影响，进一步确定了安全开采深度，即安全开采深度为-442 m。基于安全深度理论对保安矿柱进行重新圈定，与原有传统方法相比，减少了大量圈定范围，释放了大量压矿量，提高了矿产资源利用率，提高了矿山经济效益。