獲各琦銅礦采場頂板次生應力與位移特征

蔡曙光

獲各琦銅礦采場頂板次生應力與位移特征

蔡曙光

(巴彥淖爾西部銅業有限公司，內蒙古 巴彥淖爾市 015000)

通過對上向水平充填法采場頂板進行豎直方向應力、位移進行監測，分析了采場頂板豎直方向次生應力與豎直位移特征，研究結果表明：隨著采場跨度的增大，采場頂板產生離層現象的范圍與豎直方向次生應力下降的幅度呈現增大的趨勢。對于跨度為50 m采場，在距采場頂板11 m以下的礦體產生離層現象可能性大，而對于跨度為10 m采場，在距采場頂板4 m以下的礦體產生離層現象可能性大。研究成果可為采場頂板支護設計提供重要現場依據。

獲各琦銅礦;上向水平充填法;頂板離層;監測

0 引 言

充填法由于其礦石損失率低，作業相對安全，能夠較好的保護環境，其應用的比例呈逐年上升的趨勢。上向水平充填法作為充填法的一種，國內外學者圍繞上向水平充填法開展了相對廣泛的研 究[1-6]。王偉[1]等以數值模擬為手段，研究了司家營礦區采用上向水平充填法時地表變形的規律。羅瑞[6]等采用Mathew穩定圖法分析了上向水平充填法最大安全跨度。楊悅憎[3]、張雯[4]、鐘杰[5]、占 飛[6]等研究了充填體作用機理與采場穩定性問題。成德新[7]探索了上向水平充填法充填工藝改進方法。顧生春[8]等探索了上向水平分層充填法在哈圖金礦的應用。彭青生[9]與筆者[10]分析了獲各琦銅礦上向水平充填法采場頂板冒落的原因與分段高度。

在上向水平充填法中，采場頂板的穩定性在一定程度上決定了生產安全。本文以獲各琦銅礦上向水平充填法采場頂板為研究對象，以現場豎直應力、位移監測為研究手段，對比分析不同采場跨度條件下，采場頂板豎直方向次生應力與位移的特征。在此基礎上，提出了基于現場監測的采場頂板采場發生離層的范圍。研究成果可為礦山采場頂板支護提供現場依據，同時也可為類似礦山采場結構參數設計、優化提供參考。

1 采礦方法簡介

獲各琦銅礦主要采用上向水平分層充填采礦法進行開采，中段高60 m，分段高10 m，分層高3.3 m。中段開采順序為中央向兩翼前進式開采。對于頂板較好的采用整體上采，采場跨度為50 m。相應的對于頂板穩定性差的采用10 m小跨度兩步驟進行回采。其中，首分層采用灰砂比為1?4的充填體整體充填，其他分層采用1?4、1?8與1?12充填體交替充填，充填高度分別為0.5，0.5 m與2.3 m（見圖1）。

圖1 非首充層充填

2 采場地壓監測

2.1 監測方式

本文采用GZY20型應變式鉆孔應力計與YUD300礦用本安頂板離層監測儀，用于采集礦體回采過程中頂板位移與應力數據。其中，GZY20型應變式鉆孔應力計用于采集回采過程中，礦巖豎起方向次生應力值。YUD300礦用本安頂板離層監測儀有深、淺2個監測基點，它們均可采集不同深度礦巖絕對位移值。如果2個位移傳感器在同一時間采集的數值不同，則兩數值的差值則為兩傳感器沿鉆孔方向離層值。

2.2 測點布置

本文選取采場跨度為分別為50 m與10 m的采場為研究對象，用于對比分析不同采場跨度條件下采場頂板位移與應力變化特征。GZY20型應變式鉆孔應力計與YUD300礦用本安頂板離層監測儀均布置于充填回風巷中。其中，用于安裝GZY20型應變式鉆孔應力計的水平鉆孔孔徑為45 mm，孔深為5 m。用于安裝YUD300礦用本安頂板離層監測儀的豎直鉆孔孔徑為80 mm，孔深為5 m。其中，深基點安裝于孔底，淺基點安裝于距深基點2.5 m處。測點安裝布置見圖2。

圖2 測點安裝布置

3 結果分析

選擇52011采場與520031-3采場為研究對象，以上兩采場位于1520 m中段。其中，52011采場跨度50 m，頂板暴露面積約754 m2。520031-3采場跨度10 m，頂板暴露面積約287 m2。

圖3給出了52011采場頂板離層儀深基點與淺基點位移曲線。從圖3可看出：52011采場自2018年1月20日采場頂板距深基點的距離由11 m減小為8 m。自2018年1月25日深基點位移值由2.18 mm緩慢增長至2018年2月2日2.33 mm；之后，快速增長至2018年2月12日4.97 mm。與此相對應，淺基點于2018年2月10日0.004 mm增長至2018年2月11日位移1.97 mm。

由圖3可知，下覆礦體開挖后，深基點響應時

圖3 52011采場頂板位移曲線

間早于淺基點。同時，深基點位移顯著增長歷時為10 d，大于淺基點位移顯著增長2 d。由于下覆礦體開挖后，深基點位移增量大于淺基點位移增量。結合深、淺基點距頂板距離可知：在距采場頂板8 m與11 m之間巖體已發生離層現象，其位移值約為0.67 mm。通過淺基點位移在2018年2月10之前，其位移數值近似為0，說明對于類似于52011跨度為50 m的采場，下覆礦體開挖后，其擾動范圍距采場頂板高度應大于8 m但小于11 m。

圖4給出了520031-3采場板離層儀深基點與淺基點位移曲線。從圖4可看出：采場頂板離深基點為5.0 m時，深、淺基點位移值基本相等，位移值約為1.0 mm。采場頂板離深基點為11 m時，深基點出現2次相對明顯的增長，其中2017年12月30日至2018年1月6日歷時6 d，位移由1.0 mm增大為3.0 mm。而后，其數值增至3.97 mm，位移增量約2.97 mm。對淺基點而言，2018年1月4日至2018年1月6日歷時2 d位移由1.0 mm增大為2.0 mm，位移增量約1.00 mm。當頂板距深基點為2 m時，此時，深基點標高低于頂板標高。深基點在2018年2月7日至2018年2月6日，位移值由3.97 mm增大至6.02 mm；對淺基點而言，2018年2月10至2018年2月12歷時2 d，位移值由2.00 mm增至3.97 mm，隨后在2018年3月17日再次增長至5.12 mm。

圖4 520031-3采場頂板位移曲線

由圖4可知，對于類似520031-3采場跨度為10 m的采場，下覆礦體開挖后，距采場頂板5~8 m會產生一定的位移，但產生層離現象可能性小，產生層離的范圍應在1~4 m，并且位移增長歷時隨著距頂板距離的減小而增大。

從圖5~圖6可以看出：下覆礦體開挖后是一下時間范圍內，豎直次生應力存在一相對明顯增大過程，隨后其數值隨時間的增大而減小。其中，52011采場在2018年1月25日至2018年1月31日，其數值從1.59 MPa增大為1.90 MPa。520031-3采場在2018年2月3日至2018年2月5日，其數值從0.54 MPa增大為0.6 MPa。其原因一方面在于礦體開挖后應力重新分布的影響。另一方面，根據頂板離層儀監測結果可知：下覆礦體開挖后，在應力監測點下方礦體將產生一定量的豎直向下的位移，從而導致應力計受力減小。從應力下降幅度來看，即使52011采場應力監測點距采場頂板的距離大于520031-3采場，其對應的應力下降幅度也大于520031-3采場。

圖5 52011采場頂板豎直應力曲線

圖6 520031-3采場頂板豎直應力曲線

4 結 論

（1）對于跨度為50 m的采場，在下覆開采過程中，礦體產生離層現象的最大范圍應在距采場頂11 m之間礦體。

（2）對于跨度為10 m的采場，在下覆開采過程中，礦體產生層離層現象的最大范圍應在距采場頂板4 m之間的礦體。

（3）采場頂板豎直方向的次生應力，隨著采場采高的增大總體呈現下降的趨勢，并且隨著采場跨度的增大，次生應力下降的幅度增大。

[1] 王 偉,李云安,王欽剛,等.上向水平分層充填法采礦地表變形研究[J].金屬礦山,2014(8):139-142.

[2] 羅 瑞,馬錕輝.上向水平分層充填法礦房跨度的確定及采場穩定性分析[J].有色金屬(礦山部分),2019,71(3):63-66.

[3] 楊悅增,許國良,何少博,等.夏甸金礦上向水平分層充填法結構參數優化的數值模擬[J].金屬礦山,2017(7):42-46.

[4] 張 雯,連民杰,任鳳玉,等.點柱式上向水平分層充填采礦法充填體作用機理及點柱形狀優化研究[J].采礦與安全工程學報,2017, 34(2):295-301.

[5] 鐘 杰,盛 佳,王亞軍,李向東,周益龍.二步驟采場機械化上向高分層充填采礦法研究[J].礦業研究與開發,2018,38(12):1-5.

[6] 占 飛,付玉華,余信橙,楊明山.上向分層充填采礦法采場穩定性分析[J].礦業研究與開發,2018,38(03):39-42.

[7] 成德新.黃沙坪鉛鋅礦中深部開采技術研究[J].采礦技術,2001(2): 48-49.

[8] 顧生春,董群柱,王海文,等.盤區機械化上向水平分層充填法在哈圖金礦的應用研究[J].采礦技術,2018,18(4):4-7.

[9] 彭青生.上向水平分層充填采礦法的頂板管理[J].采礦技術,2012, 12(2):11-12.

[10] 蔡曙光.上向水平分層充填法分段高度探討[J].中國礦山工程,2015, 44(1):18-20.

(2019-08-21)