李家溝礦區超前開采安全技術要素分析

劉武團 張海磊 王成財 趙麗軍 孫 嘉

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團股份有限公司廠壩鉛鋅礦，甘肅 隴南 742504)

李家溝礦區超前開采安全技術要素分析

劉武團1張海磊1王成財1趙麗軍2孫 嘉1

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團股份有限公司廠壩鉛鋅礦，甘肅 隴南 742504)

由于被迫在覆蓋巖下放礦和礦體中夾石的大量存在，廠壩鉛鋅礦李家溝礦區出礦品位持續低迷；礦區902 m中段礦體品位高且賦存完整，超前回采該區域富礦可有效提升李家溝礦區出礦品位。根據902 m中段工程地質和礦體賦存特征，運用Mathews穩定圖法，優化了采場極限暴露面積和結構參數。在對采空區塌陷大面積連鎖冒落效應致災機理分析的基礎上，建立了地下開挖工程圍巖系統的協同承載作用突變模型，分析了超前開采區域礦柱和頂板的穩定性，并提出了采空區嗣后充填和建立地監監測系統的安全措施。實踐結果表明：結合Mathews穩定圖法和有限元軟件分析，可以實現數據的相互驗證和決策，為李家溝礦區902 m中段超前回采提供安全保障。

超前回采 Mathews穩定圖法 暴露面積 連鎖效應 采空區穩定性

廠壩鉛鋅礦是禮縣柞水成礦帶西成礦田中的一個大型鉛鋅礦床，由李家溝等4個礦區組成。民采破壞和長期空場法開采形成了大量采空區，部分礦房頂板垮塌，1 082 m及以上中段被迫在覆蓋巖下出礦，加上目前回采的礦體中存在大量夾石，李家溝礦區出礦品位持續低迷。現場踏勘發現，李家溝礦區902 m中段礦體品位高，賦存相對完整。經多方論證，決定超前回采該區域富礦，以有效提升出礦品位。為保證生產安全，需要對李家溝礦區超前回采區域進行安全性分析[1]。

1 李家溝礦區概況

1.1 礦區地質

李家溝礦區位于西秦嶺海西褶皺帶東段，岷縣復背斜軸部；由于構造及成礦原因，巖層片理普遍發育，巖體各向異性明顯。礦區水文地質條件簡單。

從室內力學測試結果顯示，李家溝礦區礦巖硬且脆，試件達到峰值強度后很快破壞，破壞時發出響聲，碎片四處飛散[2]。902 m中段超前回采區域礦巖力學性質見表1。

表1 李家溝礦區902 m中段礦巖力學性質

1.2 礦區生產現狀

Ⅰ、Ⅲ2礦體為李家溝礦區主要礦體，均為急傾斜礦體。Ⅰ號礦體平均厚度為21 m，采用分段鑿巖階段空場法回采；Ⅲ2礦體平均厚度為5.3 m，采用淺孔留礦法。

目前，李家溝礦區1 022 m及以上中段正在實施回采； 962 m、902 m開拓工程均已完畢。

2 采場極限暴露面積與結構參數優化

在礦體回采過程中，采場和采空區的頂板往往因為暴露面積過大而冒落。因此，需要確定902 m中段礦體極限暴露面積和優化采場結構參數，確保采場穩定和生產安全。

2.1 Mathews穩定圖法的確定采場極限暴露面積

Mathews穩定圖法[3-7]是Mathews等人在NGI法的基礎上提出的，實質為采場暴露面形狀系數S與巖體穩定性指標N之間的關系。根據巖體穩定性指數N，在穩定性圖表上求出采場總體穩定的形狀系數S；初選采場某一結構參數后，即可確定其他結構參數與暴露面積。圖1為Potvin修正后的Mathews穩定圖。

圖1 Potvin修正后的Mathews穩定圖

2.1.1 Mathews穩定圖法計算

(1)穩定性指數N。

(1)

式中，Q為巖體質量指標；A為巖石應力參數；B為節理適應調節參數；C為重力調節參數。

(2)巖體質量指標Q。

(2)

式中，R為巖體質量系數；Jr為節理粗糙度；Jw為節理裂隙水折減系數；Jn為節理組數；Ja為節理蝕變、充填及膠結程度；Sf為應力折減系數。

根據李家溝礦區工程地質及礦體賦存特征，式(2)中各參數取值為：R=81，Jr=4，Jw=1，Jn=5，Ja=1，Sf=1。計算可得Q=64.8。

(3)應力系數A。

(3)

式中，σc為巖石單軸抗壓強度；σi為次生壓應力。取A=1.0.

(4)節理適應調節參數B。是度量影響采場穩定的傾斜的采場表面和關鍵節理組相對不同的參數，可依據相關資料[3]選取。該礦取B=0.9。

(5)重力調節系數C。

(4)

式中,α為頂板水平向傾角，取α=0°，即C=1.0。

(6)采場形狀系數。任何暴露面均可認為由2個相互垂直的跨度組成，則定義采場形狀系數S為

(5)

式中,L為采場寬度(采場沿走向布置時，一般取礦體厚度)，m；L1為采場長度，m。

Q=64.8，A=1.0，B=0.9，C=1.0時，N=58.3。結合圖1，查得N=58.3時，采場穩定時的采場形狀系數S為9.6。

2.1.2 結果分析

李家溝礦區Ⅰ號礦體平均厚度為21 m，當采場形狀系數S=9.6時，計算得L1=224 m。即當902 m中段采用無間柱連續采礦時，礦房極限跨度為224 m，此時采場暴露面積為4 704 m2。

根據以上分析，確定李家溝礦區超前回采范圍為902 m中段71～79線Ⅰ、Ⅲ2礦體，超前回采區域間距200 m，暴露面積4 050 m2，對照Mathews穩定圖表，超前回采區域處于穩定狀態。

2.2 902 m中段采場結構參數優化

902 m中段超前回采采用空場采礦法，礦塊長50 m、高60 m，間柱厚8 m；擬留上部一定厚度的礦體作為安全隔離層，待采空區處理后回收。

借助FLAC3D軟件，對不同厚度隔離層的安全性進行了分析。分析結果顯示，采場最大應力和應變均與隔離層厚度呈負相關關系，具體見圖2。同時考慮隔離層占礦塊的礦量比例，隔離層厚度不應超過15 m；隔離層厚度為10 m、15 m時，采場最大應力、應變相差不大；確定隔離層合理厚度為10 m。

圖2 不同隔離層厚度采場應力及位移

3 李家溝礦區超前回采安全性分析

礦區暫未建成充填系統，902 m中段超前回采區域空區擱置時間無法確定。為避免空場長期擱置造成礦房垮塌，需要進一步分析該中段礦柱-頂板組成的采空區群結構失穩風險。

3.1 采空區冒落的連鎖效應

空場法開采以留設礦柱的方式維護空間穩定，如果礦柱強度不夠或分布不合理，單一礦柱的破壞足以引起礦區頂板連續大面積垮塌，不僅損失資源，還影響安全生產。

采空區塌陷的連鎖效應是一種由局部礦柱破壞引發的頂板荷載傳遞和礦柱連鎖式破壞，最終導致大面積塌陷災害的現象[8]。如圖3所示，3號礦柱被壓垮，其承載力轉移給相鄰的2、4號礦柱，導致2、4號礦柱破壞；2、4號礦柱破壞后，1、5號礦柱額外承擔了2、4號礦柱擔負的荷載，也產生破壞；最終當足夠多的礦柱發生失穩，頂板將發生大面積瞬時切冒型塌陷的突變。

圖3 采空區塌陷的連鎖效應示意

3.2 李家溝礦區超前回采安全性分析

礦區902 m中段部分區域超前開采時，勢必會干擾周圍巖層應力場，引起應力的重新分布，使巖體產生移動變形和破壞；隨著采礦工作的推進，這一過程將不斷重復。在空區圍巖系統失穩特點的基礎上，利用Phase2有限元軟件[9]建立地下開挖工程圍巖系統的協同承載作用突變模型(從略)，對902 m中段71～79線礦體超前回采所形成的二次應力擾動強度進行了分析，見圖4。

從圖4可以看出，由于李家溝礦區礦巖穩固性較好，且超前回采區域范圍不大，902 m中段71～79線礦體超前回采對1 022 m及以上中段影響較小；超前回采區域采空區長期擱置后不會發生采空區連鎖式大面積冒落。

圖4 二次應力擾動后李家溝礦區礦巖移動規律

3.3 超前回采安全技術措施

(1)建立地壓監測系統，對礦柱、頂板等重點工程進行應力應變監測，對關鍵點和關鍵部位需進行聲發射監測。

(2)從礦區上下中段協同開采角度出發，采用合理的地壓控制與采空區嗣后充填技術，減小902 m中段超前回采區域巖層移動帶范圍，確保上部中段的正常回采。

(3)根據礦區采場地壓顯現與巖層移動規律，結合地壓監測和902 m中段超前區域“三帶”范圍，優化礦區1 022 m及以上中段采礦布局、回采順序等。

4 超前回采的實施

通過以上分析，只要控制好200 m的超前回采區域范圍，保證10 m的隔離層厚度，實施相關的安全技術措施，李家溝902 m中段71～79線礦體超前回采安全可行。

(1)2012年3月，李家溝礦區902 m中段71～79線礦體超前回采開始實施，該區域已累計采出高品位礦石30萬t，礦區品位指標提升了12%。

(2)近3 a的實踐表明，902 m中段超前回采區域礦柱、頂板應力、應變狀態良好，未發生一起安全事故。

5 結 語

(1)結合Mathews穩定圖法與FLAC3D軟件，優化了采場極限暴露面積與結構參數；利用Phase2軟件建立地下開挖工程圍巖系統的協同承載作用突變模型，分析了采空區冒落的連鎖效應，介紹的方法可為國內外礦山解決類似問題提供一條新的思路。

(2)通過現場實踐，李家溝礦區902 m中段71～79線礦體超前開采方案安全可靠，為礦山產能及礦石品位的提升創造了條件。

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(責任編輯 徐志宏)

Analysis of Safety Technology Factor of Advanced Mining in Lijiagou Mine Area

Liu Wutuan1Zhang Hailei1Wang Chengcai1Zhao Lijun2Sun Jia1

(1.NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China;2.ChangbaLead-zincMineofBNMC，Longnan742504，China)

Due to be forced to make ore drawing under surrounding rock and large number of waste rock in ore-body，ore grade in Lijiagou Mining Area of Changba Lead-zinc Mine remains at a low level.The ore-body in 902 m level owns a higher grade and is under an intact occurrence state.Advanced mining of the rich ore in this area can effectively enhance the ore-drawing grade of Lijiagou mining area.According to the engineering geology and the ore body occurrence characteristics in 902 m level，the limit exposed area of the stope and structural parameters are optimized by Mathews stability chart method.Based on the disaster mechanism analysis of goaf collapse ripple effect，the synergistic bearing effect catastrophe model of underground excavation rock system is established，and the stability of pillars and roof in advanced mining region is analyzed.Meanwhile，safety measures including goaf subsequent filling and ground surveillance monitoring system are proposed.Practical results show that：the combination of Mathew stability chart method and the finite element software，data's mutual authentication and decision-making can be achieved，which provides security for advanced mining at 902m of middle section in Lijiagou Mining Area.

Advanced mining，Mathews stability chart method，Exposed area，Ripple effect，Stability of goaf

2014-11-09

劉武團(1969—)，男，高級工程師。

TD325+803

A

1001-1250(2015)-03-169-04