空區處理與隱患資源開采協同技術研究與應用

張 偉，倪 彬，劉曉明

(1.西安有色冶金設計研究院， 陜西 西安 710001；2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

空區處理與隱患資源開采協同技術研究與應用

張 偉1，倪 彬1，劉曉明2

(1.西安有色冶金設計研究院， 陜西 西安 710001；2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

采用phase2數值模擬軟件分別建立了某礦山4575 m中段平面和7#勘探線剖面兩個數值分析模型，對采場開采過程中圍巖應力、位移及塑性區分布情況進行數值模擬分析。在此基礎上引入協同理論，開展隱患資源開采與空區處理的協同技術研究，根據不同的礦體產狀、圍巖受力性質,選擇不同的采場回采與空區處理方案。研究表明，數值分析與協同技術的綜合利用，可為類似礦山進行高效、安全開采提供指導。

空區處理；隱患資源；數值模擬；協同技術

隨著全球礦產資源爭奪的進一步升級，占到我國有色金屬資源的1/3的采空區隱患資源日益受到世人關注，已成為我國礦業發展的重要接替資源[1]。而以往人們將空區處理和采空區處理看作是一對矛盾，通常分別進行獨立設計、施工。隨著科學技術的發展，人們逐漸認識到采空區的利用價值，并將空區處理和隱患資源的開采結合起來進行研究，引入了協同理論，在處理空區的同時考慮空區的再利用以及隱患資源的回收[2]。

本文通過對某礦山空區處理方案的選擇研究，引入了空區處理與隱患資源開采協同技術，在采用數值模擬技術對空區穩定性進行分析的基礎上，根據空區位置、類型、穩定程度提出了采空區處理方案。

1 礦山概況

該礦為一鉛鋅多金屬礦床，主要賦存于下侏羅統日當組第四巖性段含碳鈣質板巖夾褐黃色鈣質砂巖中，礦體的產出嚴格地受控于構造破碎帶。礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀產出，局部有膨縮變化，礦體產狀與構造破碎帶產狀基本一致，傾向西，傾角在45°～70°之間變化。走向長度約1200 m，傾向方向延深約800 m。礦體平均真厚度10.22 m，厚度變化系數71.09%，屬于較穩定型。礦體Pb平均品位為1.85%，品位變化系數為216.80%，Zn平均品位為3.11%，品位變化系數為153.34%，屬礦化較均勻型。

礦體均賦存于構造破碎帶內，礦體兩側圍巖均為下侏羅統日當組第四巖性段(J1r4)的灰黑色頁巖和鈣質板巖，局部有少量凝灰巖。圍巖地層產狀為傾向25°～30°，傾角20°左右，礦體斜切圍巖地層產出。

該礦山前期采用淺孔留礦法回采，頂柱高4～6 m，間柱8 m，4670 m中段為普通漏斗底部結構，底柱高6 m，其他中段為平底底部結構。

礦體產于板理化碳質板巖、頁巖的構造破碎帶中，雖然圍巖存在較強的硅化，但范圍有限，頁巖、板巖屬于軟質巖石，其抗壓強度在270～300 kPa，由于斷層構造的破壞作用使得頁巖、板巖節理、裂隙很發育，其力學性能變差，目前礦山采空區部分已坍塌。

礦山采空區情況詳細見圖1。

2 空區穩定性分析

目前可用于巖層移動與破裂研究的數值計算方法主要包括兩類：一類是建立在連續介質力學基礎上的數值計算方法，諸如有限單元法[3]、邊界單元法等；另一類則是通常所說的非連續介質力學分析方法，其中最具代表性的當屬離散元方法。對該礦山采用二維有限元計算模型并運用二維有限元軟件Phase2來進行模擬分析[4]。

圖1礦山采空區縱投影

2.1 建模與力學參數

本次計算模型的范圍選取在最低開采中段4575 m和7號勘探線剖面，建立了兩個數值計算模型，計算模型的參數見表1，數值模擬模型分別見圖2和圖3。

數值分析模型巖體力學參數見表2。

“張仲平一定不想讓很多人知道我們之間的交易吧？要債的馬上要來，我是一定會和他們拼命的，萬一我們同歸于盡了，你的錢包可就給張仲平惹禍了。你沒想到這一點嗎？”

表1 數值計算模型參數

圖2 數值模擬模型1

圖3 數值模擬模型2

介質容重/(MN/m3)抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)彈性模量/GPa泊松比碳質板巖2.6549.41.8606.160.28礦石3.3601.435100.2砂巖2.652514580.18

2.2 4575中段平面采場穩定性數值模擬分析

模擬4757中段自南向北逐采場進行開采后圍巖的應力、位移及塑性區情況，截取部分分布云圖見圖4～圖7。

圖4 4575-8采場回采后最大主應力分布

圖5 4575-8采場回采后最小主應力分布

圖6 4575-8采場回采后位移分布

通過對該礦8個采場分步回采模擬分析，得出以下結論：

圖7 4575-8采場回采后塑性區分布

(1) 最大主應力多集中在采場四周端角處，隨著采場的回采，σ1也隨著增加，最大值由7 MPa增加到72 MPa；

(2) 最小主應力在5 MPa左右，最大值16.1 MPa，頂底板局部地段出現了拉應力，最大值為-0.7 MPa。

(3) 采場頂底板位移隨著采場回采不斷增加，最大值為96 mm。

(4) 采場兩端出現塑性區，隨著采場的依次回采，塑性區逐步擴大，至回采4575-5采場后，塑性區發生急劇變化，部分采場塑性區已經連通或即將連通，局部地段巖石破壞，出現開裂，隨著開采的繼續向下，塑性區范圍越來越大，采場上下盤破壞明顯。

2.3 7號勘探線剖面采場穩定性數值模擬與分析

模擬7號勘探線，由高到低逐中段回采后圍巖的應力、位移及塑性區情況，截取部分分布云圖見圖8～圖11。

圖8 4575-2采場回采后最大主應力分布

通過對該礦中段采場分步回采的模擬分析，得出以下結論：

(1) 最大主應力多集中在采場四周端角處，隨著采場的回采，σ1也隨著增加，最大值由10.8 MPa增加到46 MPa；

圖9 4575-2采場回采后最小主應力分布

圖10 4575-2采場回采后位移分布

圖11 4575-2采場回采后塑性區分布

(2) 最小主應力在2 MPa左右，最大值9.9 MPa，頂底板局部地段出現了拉應力，最大值為-2 MPa，超過了圍巖的抗拉強度，采場間柱發生破壞;

(3) 采場兩幫位移隨著采場回采不斷增加，最大值為60 mm;

(4) 4575-2采場回采后采場上盤出現明顯塑性區，局部地段巖石破壞，出現開裂，隨著開采的繼續向下，塑性區范圍越來越大，采場上下盤破壞明顯。

3 空區處理方案

根據現場地壓測量以及數值模擬分析，同時引入隱患資源開采和空區處理協同技術，對該礦山的采空區提出了相應的處理措施。

采空區協同利用的基本模式包括：作為開采空間利用；作為轉換空間利用；作為卸荷空間利用。對于該礦山來說，圍巖最大主應力都集中在采場四周端角處，主應力最大值4757中段內為72 MPa，超過了圍巖的抗壓強度(炭質板巖49.4 MPa、砂巖25 MPa)，7號勘探線最大主應力為46 MPa，超過了砂巖的抗壓強度。最小主應力超過了圍巖的抗拉強度(炭質板巖-1.8 MPa、砂巖-1 MPa)，塑性區主要出現在空區端角，礦柱的臨空面。可以看出應力主要集中在礦柱部位，由于礦體較破碎，礦柱在應力作用下出現了潰屈破壞，空區頂板處于極限平衡狀態，極易發生礦柱破壞，頂板突然冒落的地壓災害發生[5]。

該礦山采空區的處理可以考慮回收礦柱后，誘發空區頂板自然冒落，達到卸荷并形成空區內廢石墊層的目的[6]，同時距離地表較近的空區可以作為廢石的地下堆場，采用目前礦山地表堆存的廢石充填采空區，既起到了形成廢石緩沖墊層，防止圍巖大面積冒落造成災害的發生，從而起到空區處理的作用，又消耗部分地表廢石，減少廢石壓占地表造成土地資源的破壞，盡可能降低了礦山開采對環境的破壞。

該礦山最后采取的方案是：礦體較厚且礦柱較為完整的地段，采用回收礦柱誘發上盤圍巖自然冒落充填空區形成緩沖墊層，部分上盤較穩固不能自然冒落的地段采取人工強制崩落上盤圍巖的方法；礦體較薄且近地表的空區采取地表廢石充填的方法處理[7]。

4 結 論

通過對該礦山采用phase2數值模擬軟件分別建立了某礦山4575 m中段平面和7號勘探線剖面兩個數值分析模型，對采場開采過程中圍巖應力、位移及塑性區分布情況進行數值模擬分析，結合礦山地壓監測情況提出了該礦山目前已形成采空區礦體較厚地段采用回收礦柱誘發上盤圍巖自然冒落(部分上盤較穩固不能自然冒落的地段須采取人工強制崩落上盤圍巖)充填空區形成緩沖墊層，礦體較薄且近地表的空區采取地表廢石充填的處理方案。方案采用了空區處理和隱患資源開采協同處理技術，在處理空區的同時回收部分礦柱，并把采空區作為廢石排棄場堆存了一部分地表廢石；同時，在回收部分礦柱、堆存部分廢石的同時處理了采空區。把空區作為卸荷空間以及轉換空間來利用，使隱患資源開采和空區處理問題作為一個統一的目標得到了良好的解決。

[1] 鄒國良.我國有色金屬危機礦山發展對策[J].金屬礦山,2007,12(1):22-23.

[2] 陳慶發，周科平.隱患資源開采與空區處理協同技術[M].長沙：中南大學出版社,2011：1-166.

[3] 楊 柯，張立翔,李仲奎.地下洞室群有限元分析的地應力場計算方法[J].巖石力學與工程學報，2002,21(11):1639-1644．

[4] 劉曉明,羅周全，等.基于CMS的隱患空區三維特征信息獲取[J].科技報,2011,29(05)：32-36.

[5] 蔡美峰.金屬礦山采礦設計優化與地壓控制理論與實踐[M].北京：科學技術出版社,2001:16-52.

[6] 王御宇，李學鋒，李向東.深部高應力區卸壓開采研究[J].礦冶工程,2005,25(4):4-7.

2013-09-24)

張 偉(1981-),男,甘肅白銀人，工程師,學士,主要從事采礦設計及采礦方法研究的工作,Email：36570219@qq.com。