石膏礦層合并開采參數確定及穩定性分析

李樹濤　李　洪

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系)

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石膏礦層合并開采參數確定及穩定性分析

李樹濤1李洪2

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系)

摘要大汶口石膏礦區2Ⅱ、2Ⅲ膏層間距僅1.5 m，僅采其中一層，棄采另一層，當礦層變薄后，面臨著兩層均失去開采價值的嚴重后果。由于層間距近，合并開采是解決膏層變薄單層不可采的最佳方法，但該2個分層合并開采將使得采高增加較多，對采空區的穩定性將造成重大影響，而大汶口礦區石膏礦層開采受水威脅(上覆含水層)嚴重，采空區的穩定至關重要。針對大汶口礦區汶陽石膏礦2Ⅱ和2Ⅲ膏層，運用彈塑性理論，分析計算得到合并開采的合理開采參數為礦房寬度4 m，礦柱寬度9 m，最大采高9.0 m。數值模擬結果表明：合并開采后礦柱所承受的最大垂直應力及水平拉應力均遠小于礦層強度指標，礦房頂底板及兩幫的變形分別僅為11，2 mm。開采參數的合理確定以及數值模擬結果對于確保該2個分層礦體的安全高效開采有一定的參考價值。

關鍵詞石膏礦合并開采礦房礦柱彈塑性理論開采參數數值模擬

山東大汶口礦區具有十分豐富的石膏儲量，具有開采價值的石膏礦層分別為2Ⅱ、2Ⅲ、3Ⅱ、5膏層。2Ⅱ和2Ⅲ膏層的平均層間距為1.5 m。由于距離較小，按照《石膏礦山安全規程》(DB 37/1024—2008)，僅能開采其中一層，另一層無法開采，資源浪費十分嚴重；更為嚴重的是在礦層變薄帶，無論2Ⅱ或2Ⅲ膏層均無開采價值，但卻無法放棄開采，否則會帶來嚴重的生產接續問題，但若開采其中一層，企業經濟效益將受到嚴重影響。為此，本研究針對大汶口礦區汶陽石膏礦層間距低于2.0 m的2Ⅱ、2Ⅲ膏層存在的開采難題，對合并開采方案進行探討，并確定合并開采的礦房、礦柱參數，確保礦房、礦柱的安全高效生產。

1工作面概況

位于大汶口礦區西南部的汶陽石膏礦年生產能力30萬t，為第四系覆蓋區，石膏礦層賦存于官莊群大汶口組二段上部，呈向斜構造，兩翼傾角4°～7°。該礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均厚度分別為5.3，5.4 m，平均層間距為1.5 m，膏層頂板巖性以泥巖、頁巖為主，夾少量砂巖，頂板的工程地質穩定性較差，底板巖性為泥巖、泥灰巖夾頁巖，穩固性較差。由于特殊的地理位置以及上覆巖層的富含水性，礦層開采后上覆巖層不允許垮落，也不允許地表下沉，采空區須確保長期穩定可靠。因此，采礦方法一直采用淺孔連續礦柱房柱法。合并開采前膏房寬度4 m，膏柱5 m，采高4～5 m，護頂膏厚度不小于1.5 m，護底膏厚度不小于1.0 m。礦房、礦柱布置如圖1所示。

圖1　大汶口石膏礦區房柱法開采礦房礦柱布置

根據《石膏礦山安全規程》(DB 37/1024—2008)，層間距不超過2.0 m的汶陽石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層僅能采其中一層，但2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均厚度分別為5.3、5.4 m，除去至少保留的1.5～2.0 m厚的護頂膏層以及1.0 m厚的護底膏層，實際采高均不足3.0 m。無論開采2Ⅱ膏層或2Ⅲ膏層，不僅經濟效益差，而且工作面現有的裝載設備由于高度太小無法發揮作用；若放棄開采2Ⅱ、2Ⅲ膏層，則礦井生產無法接續。汶陽石膏礦2Ⅲ膏層上覆各層巖性特征見表1，物理力學性質見表2。

2合并開采方案

2.1方案確定

由于汶陽石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層變薄，單層失去開采價值，但由于兩者間層間距較小，最大僅1.5 m，因將2Ⅱ、2Ⅲ膏層合并開采。合并開采后，包括2Ⅱ、2Ⅲ膏層之間的泥、頁巖在內的總厚度為12.2 m，考慮到變薄和安全因素，初步確定最大采高為9.0 m。開采方法為炮采，不支護，合并開采時首先掏2Ⅱ、2Ⅲ膏層中間的夾石層，然后放出頂板膏，放頂板膏層時應確保至少留足厚1.5 m的護頂膏層，出完頂板膏層后再起底板膏層，同樣，起底板膏層時應確保留足至少厚1.0 m的護底膏層，同時確保連同夾石層在內的膏房總高度不超過9.0 m。為確保采空區長期穩定不垮塌，大汶口礦區石膏礦多來年一直采用淺孔連續礦柱法開采，合理的礦房、礦柱尺寸是確保采空區穩定的關鍵因素。

表1　2Ⅲ膏層上覆巖層特征

表2　巖層物理力學特征

2.2礦房安全跨度計算

據圖1所示的汶陽石膏礦礦房布置方式，礦房極限跨距計算公式為[1]

(1)

式中，l為礦房安全跨距，m；h為護頂膏層厚度，m；R為膏層許用抗拉強度，MPa；q為礦房頂板承受的載荷，kN/m2。

由于上覆巖層由多層巖層組成，礦房頂板承受荷載(q)的大小須根據上覆各層間的互相影響確定。根據彈性力學理論，護頂膏層承受載荷(qn)的計算公式為[2]

(2)

式中,n為層數為膏體層數；E1、E2、E3、…、En分別為上覆各層的彈性模量，GPa；h1、h2、h3、…、hn分別為上覆各膏體層的厚度，m；γ1、γ2、γ3、…、γn分別為上覆各膏體層的重力密度，g/cm3。

合并的2Ⅱ+Ⅲ膏層厚1.5 m的護頂膏層僅需承擔自重及上覆厚1.21 m的頁巖重量，于是護頂膏層承受載荷為47.52 kN/m2，據式(1)，計算得出礦房的安全跨距為4.9 m。結合多年開采實踐，本研究確定礦房安全開采跨距為4 m。

2.3礦柱寬度計算

礦柱受力后，在礦柱周邊形成了一定范圍的塑性區，若保證礦柱穩定，須確保有1個足夠寬度的未受擾動的柱核區。塑性區寬度計算公式為

(3)

式中，M為采房高度，取9.0 m；tanβ=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ為礦柱巖層內摩擦角，(°)；K為支撐壓力峰值處的應力集中系數，取3；H為埋藏深度，m，取最大埋深300 m；σs為礦柱抗壓強度，MPa。

經式(3)計算，x0為1.6 m，因此能夠確保穩定的礦柱寬度為5.2～6.2 m。根據《石膏礦山安全規程》(DB 37/1024—2008)，本研究確定合并后2Ⅱ+Ⅲ膏層的礦柱寬度為9.0 m。

3礦房礦柱穩定性模擬分析

采用FLAC3D3.0軟件進行模擬分析，模型長104 m，寬100 m，高92.02 m。其中，沿Z軸正方向由下至上巖層分別為泥巖(9.66 m)、泥灰巖(6.2 m)、2Ⅱ+Ⅲ石膏層(12.2 m)、頁巖(1.26 m)、泥巖(8.23 m)、頁巖(1.66 m)、2Ⅰ石膏層(3.5 m)、頁巖(2.0 m)、1石膏層(3.5 m)、泥巖(32 m)、泥灰巖(11.5 m)。模擬開采深度為2膏層的最大開采深度(300 m)，模型高度92.02 m，開采高度9.0 m，底板方向高度15.86 m，頂板方向高度67.7 m，模型頂端上方厚232.3 m的巖層的重量通過載荷的方式施加于模型上。相關模擬結果見圖2、圖3。

圖2　2Ⅱ+Ⅲ開采礦柱應力分布云圖

圖3　2Ⅱ+Ⅲ合并開采礦柱塑性圖

由圖2可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏層合并開采的最大礦柱垂直應力為9.37MPa，遠小于試驗得到的2Ⅱ、2Ⅲ膏層的平均單軸抗壓強度24.6MPa。由圖3可知：最大水平拉應力出現在礦柱垂直方向的中間部位，最大約0.73MPa，小于2Ⅱ、2Ⅲ膏層平均抗壓強度1.56MPa。由圖2、圖3進一步分析可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏間有厚1.2～1.5m的泥巖夾層，在礦柱邊界處，泥巖和泥巖附近的石膏出現了張拉和剪切塑性破壞，深度1～2m，塑性破壞區域并未失去垂直方向應力的承載能力，處于塑性強化階段，應加強支護并盡量封閉圍巖，使其免受風化而失去承載力，使塑形區向礦柱內部擴展。根據布置于礦房頂底板及側兩幫的位移量監測結果，頂底板移近量約11mm，側幫移近量為2mm。綜上所述，大汶口石膏礦礦房寬度取4m、礦柱寬度取9m較合理。

4結語

為有效開采大汶口礦區汶陽石膏礦2Ⅱ、2Ⅲ膏層，針對膏層特征，制定了合并開采方案并確定了合理的開采參數，并對礦房礦柱穩定性進行了模擬分析。結果表明，本研究確定的合并開采參數較合理，該方案自2014年4月底實施，截止目前，已采出礦石35萬t，頂底板最大變形量僅7.9 mm，成效較顯著，可供類似礦山參考。

參考文獻

[1]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1988.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

(收稿日期2015-12-03)

李樹濤(1981—)，男，總工程師，工程師，271606 山東省肥城市汶陽鎮高杭村。