缓倾斜中厚矿体分层开采与围岩控制研究

2020-11-14池秀文柴志杰何治良张聪瑞任高峰

金属矿山 2020年10期

池秀文柴志杰何治良张聪瑞任高峰

（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；3.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621010）

在国内外采矿领域内，关于缓倾斜中厚矿体的开采一直是一个难题［1-2］。由于其赋存倾角较小，在开采缓倾斜中厚矿体时，采下的矿石无法依靠其本身的重力放出，在采场内进行开采时必须使用搬运设备［3］。当矿体厚度较小时，开采设备在采场内运转不灵活；当矿体厚度较大时，采场空顶高，顶板管理工作较为困难，给企业的安全生产造成极大的隐患［4］；当矿区岩石质量较差时，为稳固围岩，大量的矿柱需被留设［2］。

对于缓倾斜矿山开采技术，国内外学者展开了不同方面的研究。修蕾等［5］针对应用于缓倾斜中厚矿山的不同采矿方法分别阐述并对比分析，对未来各类采矿方法的发展方向、趋势等进行了预测。诸利一等［6］通过对安全、成本、损失贫化率、回采率等技术经济指标进行综合考虑，设计条带式开采嗣后充填法。刘晓辉等［7］改变脉内采准布置、开采参数、支护方式，提出预控顶分段嗣后充填的开采方案以提高经济技术指标。池秀文等［8-9］通过分析不同开采参数下围岩的采动特征及应力状态，对采场结构设计参数进行了优化。Milev等［10］通过对矿山深部围岩采动以及应力响应展开了研究。Jiang等［11］通过对房柱法开采地层压力分布及上覆岩层结构运移规律展开研究，优化了采场结构及支护条件。然而对于围岩质量较差且充填材料不足的缓倾斜中厚矿体深部开采，目前尚无安全、经济、高效的采矿方法。本项目提出一种缓倾斜矿体分层条带开采方法，并依据围岩采动、应力分布对开采参数进行优化，以提高围岩稳定性。

1 工程概况

1.1 矿山开采技术条件

挑水河磷矿矿体呈层状产出，倾角4～8°，分布情况较为连续，矿体内包含2个主要工业磷矿层Ph2、Ph13［9］。其中主矿层 Ph2 北西走向，北东倾向，长3.0～5.07 km、宽 2.5～3.4 km，矿层埋深大，为 81.67～630.19 m，厚度1.6～14.7 m，属缓倾斜薄至中厚矿体。主矿层开采深度达500 m且上盘围岩质量较差，其中直接顶板内软弱结构面或相对软弱结构面发育、直接顶板以上的岩层中还存有强度弱的岩层［8］。矿区位置较为偏僻，充填骨料取材困难且其他来源充填成本较高，依据矿区的分布地形、矿体赋存及开采技术等条件，Ph2矿层设计开采方法为缓倾斜矿体分层条带开采法。

1.2 缓倾斜矿体分层条带开采法

根据矿体的赋存特征判断，该矿体属缓倾斜中厚矿体。由主矿层直接顶板结构面发育状况判断，直接顶板围岩质量较差，需注意加强支护，然而采场空顶较高对顶板管理工作造成较大困难。本项目通过设计一种缓倾斜矿体分层条带开采方法（图1），将矿层分为上、下2层进行开采以解决采场围岩管理工作困难的问题。

该采矿方法在盘区矿块划分、采准切割布置、回采充填工序上的方案如下。

（1）盘区划分。将矿床分为阶段开采，在各阶段内进行盘区划分，盘区沿走向布置。单个盘区沿矿体走向长度50～80 m，沿倾向长度80～120 m。阶段运输巷沿走向掘进。

（2）采准切割布置。从盘区中部沿底板上、下山巷道，以上山巷道底部为界将矿层分为上下2层，以上山为界左右划分相同数量的矿房。盘区内不设溜井。

（3）回采充填工序。盘区设定3个步骤完成回采：第一步骤先进行条带上层矿房矿石回采工作，后进行同条带下层矿房矿石回采工作，同条带上下2个矿房回采完成后统一充填；二步骤同一步骤重复间隔回采、充填盘区矿体直至盘区边界；三步骤将盘区内剩余矿体进行回采。

2 采场结构优化

2.1 优化方案

在采用不同的采场结构设计参数条件下，采场围岩的应力分布有较大差异，而围岩的应力状态直接影响采场顶底板的稳定性。为更好地进行采场顶底板围岩管理，应选择设计合理的采场结构参数。

在进行多因素方案优化研究时，正交试验法因其可以运用数理统计与正交原理，从部分方案中寻找出全局最优方案，大大减少试验次数的特点被众多学者广泛使用［12］。本研究以挑水河磷矿Ph2主矿层为开采对象，以主矿层顶、底板围岩为主要研究对象，使用缓倾斜矿体分层条带开采法，模拟矿体开采对采用的充填条带宽度、留空区条带宽度及不同充填灰砂比进行优化，设计3因素3水平正交试验，进行模拟开采，研究不同方案下采场顶底板的稳定性，对采场围岩进行控制管理。9组试验方案的参数见表1。

2.2 矿山岩体力学参数

根据挑水河磷矿地质报告资料，结合大量的试验资料，得出折减后的岩体力学参数见表2。充填体对围岩的支撑作用因选用不同的充填材料而有所差异，本项目选用灰砂比分别为1∶5、1∶7、1∶9的1#、2#、3#充填材料对充填条带进行充填，充填材料的物理力学参数见表2。

3 围岩控制研究

3.1 数值建模及回采步骤

建立岩层数值模型模拟矿体回采工作，研究采用不同采场结构设计参数、充填材料时围岩的应力、应变状态，对围岩状况进行分析。依照缓倾斜矿体分层条带开采法划定矿房，矿房位置布设如图2所示，按“隔一采一”，先开采划定的充填条带内的矿体，后开采划定的留空区条带内的矿体；各条带内矿体开采按先行开采上层矿房、后再开采下层矿房的顺序，依次开挖。其中，（11）、（12）、（31）、（32）、（51）、（52）、（71）、（72）、（91）、（92）矿房区域需进行充填。数值模拟矿房回采具体顺序如表3。

3.2 数值计算模型

由于Ph2矿层倾角较小，将开采盘区简化为水平布置。设定盘区长×宽×高为100 m×100 m×12 m，矿层分2层开采，故矿房高为6 m，盘区间矿柱25 m，上、下山巷道与盘区边界距离10 m。根据弹塑性变形理论，围岩主要影响区域为开挖区域的3～5倍［13］。设定计算模型尺寸为：700 m（X）×700 m（Y）×80 m（Z），据此在Flac3d软件中建立采场三维实体模型，如图3所示。

按前文设计的正交试验方案，为建立的数值模型赋予材料属性；按矿房划分及回采、充填方案模拟盘区开采并分析9组试验的模拟结果。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 位移分析

通过模拟正交设计试验方案中的9组试验方案，对比分析不同方案下不同位置的矿房顶、底板位移结果，得到各组试验方案中，各条带内矿房的顶板均产生了一定的沉降，矿房的底板出现了一定的隆起。

由图4、图5可知，在9种试验方案中，各处矿房顶、底板的位移与矿房在盘区中所处位置具有一定关系，处于盘区中部的矿房顶、底板的位移量要大于盘区边界矿房的顶底板位移量，各矿房中顶、底板位移量的最大值均位于在条带6内矿房处；充填条带1、3、5、7、9内的矿房顶、底板位移量明显小于相邻留空区条带内矿房顶、底板位移量。由此可知，充填体的存在可有效减少围岩移动，提高顶底板的稳定性；试验3、7中，各条带的矿房顶底板位移量均明显大于其他各组试验结果，从安全的角度出发，试验3、7的开采参数较不合理。

3.3.2 塑性区与应力分析

充填条带宽度与充填体材料力学性质对矿体开采后充填体的应力应变、围岩稳定至关重要［14］。由图6可知，受盘区间矿柱的影响，靠近盘区边界的充填条带1、9内的充填体应力值要小于盘区中部充填条带3、5、7内的充填体应力值；9组试验中，盘区内各充填体应力最大值均位于充填条带5内。

在不同充填材料、不同的应力状态下，充填条带的塑性区占充填体的比例见表4。由表中数据可知，随着充填条带宽度的增大、留空区条带宽度的减小，塑性区比例有所降低。塑性区比例降低，可提高矿房内的充填体的有效承载能力，但二者之间并非线性相关。提高充填材料的灰砂比，可使充填体的塑性区比例在一定范围内减小，但塑性区比例对灰砂比的敏感性显著小于对充填条带宽度的敏感性。考虑到矿山的实际生产状况，充填所需的砂石资源较少，优先选择使用充采比较小、灰砂比较小的方案。

以9组试验中充填体应力状况均具有代表性的条带5内充填体作为研究对象，分析充填体的稳定性。依据库伦准则与材料破坏极限应力圆理论，计算充填材料抗压强度；根据矿柱极限强度理论，计算条带开采充填体有效承载的极限应力荷载［14］。根据充填体应力荷载与充填矿柱极限应力荷载计算各组试验条带5内充填体的安全系数见表5。

参考国内外矿山资料，矿山开采多要求矿柱安全系数为 1.5～2.0［14］。在围岩质量较差的情况下，为保证顶底板的稳定性，应适当增大对矿柱安全系数的要求。如表5所示，各试验组中条带5内充填体的安全系数均满足要求，其中试验5中的充填矿柱安全系数显著高于其他各组试验，且比一般要求高出89.5%，造成一定的浪费。

在各组试验结果中，试验1、4、6、9号4组试验中各处充填矿柱的应力值均大于其他各组试验充填矿柱，充填体安全系数较小。综合考虑矿层顶板节理发育状况及围岩中弱结构面的存在，从安全的角度出发，初选试验2、5的开采参数。

对比分析试验2与试验5，试验5在充采比增加了10.5%，灰砂比增加22%的条件下，矿柱的安全系数由2.82提升至3.79。由经济的角度出发进行综合考虑，确定试验2为最佳开采方案，即采用充填条带宽度8 m，留空区条带宽度6 m，充填材料灰砂比为1∶7作为实际生产开采参数。

3.3.3 软弱结构面稳定性分析

在进行矿房的顶底板管理时，通过采用充填矿柱及锚杆加固等方法约束矿房顶底板的竖向位移。受巷道掘进影响，巷道周边围岩的应力向巷道中心进行释放；直接顶板因为软弱结构面发育，围岩抗拉强度极小。当软弱结构面的应力状态软化系数即切应力与正应力之比较大时，软弱结构面易发生滑移、分离，需在该位置加强支护。以采场顶板中距离采场顶部4 m处的水平软弱结构面为研究对象，在巷道、矿房开挖时，通过采用不同的支护强度在巷道临空面上施加不同的支护阻力，分析不同位置软弱结构面的应力状态软化系数。

以上山巷道中心线处X值为坐标原点，将巷道临空面在分别施加支护强度、2种支护阻力下软弱结构面中各位置应力状态软化系数制作曲线如图7。从图7中可以看出，受巷道开挖及矿体开采影响，上山巷道周边软弱结构面的应力状态软化系数有一定提升，使软弱结构面的稳定性降低；对巷道临空面进行支护，施加支护阻力可使巷道周边软弱结构面的应力状态软化系数产生一定降低，提高软弱结构面的稳定性。