某鋰礦進路分層開采對頂板上覆巖層穩定性的影響

劉順斌，鄧 柯，吳 東

(1.金誠信礦業管理股份有限公司，北京 101500；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100；3.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

某鋰礦床屬鈉長花崗偉晶巖型鋰礦床。區內地形坡度變化大，一般22°～45°。礦體傾角57°～85°，最大埋深241 m，礦體厚度為3.43～22.43 m。該礦區地處深切高—極高山區，地形坡度22°～45°左右。礦區內鋰礦體賦存于花崗巖脈中。礦體周邊圍巖主要為二云石英片巖、黑云石英角巖、紅柱二云石英片巖等。

建設單位已施工了一些坑探工程，從目前工程揭露的情況來看，礦體及圍巖的穩固性差，易風化，尤其遇水后，巖體易于崩解破碎，巷道自穩困難，井巷工程需大面積的支護。

鑒于以上實際情況分析，該礦山采礦方法采用上向進路充填法。進路充填采礦法作為開采節理裂隙發育礦體常用方法，由于其在提高礦石回收效果、降低貧化率、控制采場地壓、維持采場穩定和控制地表沉降及塌陷方面的良好效果，更是受到高價值礦石以及地表需要嚴格保護的礦山重視和歡迎。

為此，針對該鋰礦所賦存的巖體破碎復雜的工程地質條件，根據其賦存條件、巖體力學性質特性、采場分布等基本情況，建立進路法三維數值模擬計算模型，分1步驟和2步驟開采來分析采空區未充填、充填后圍巖、充填體及頂底板的塑性區分布規律和位移變形趨勢，為礦山后續的安全生產提供保障。

1 采場結構尺寸與采礦方法工藝

對于沿走向布置上向進路充填法，1個礦塊可分為2次完成回采，如前所述，礦塊內沿走向劃分為2條進路，進路寬度3～4 m，先回采上盤1步驟進路，再回采下盤的2步驟進路。由于1個礦塊分2次完成回采，單次回采進路尺寸可考慮3～4 m寬，高3.75 m。

上向進路充填法1步驟采空區膠結充填結束養護完畢后2步驟才能進行開采。1步驟進路底層充填體灰砂比為1：5，充填高度3.15 m；2步驟進路底層灰砂比為1：20，充填高度3.15 m；各步驟高強度面層滿足鏟運機運行要求，采用灰砂比1：4～1：8的充填體進行充填，充填高度0.6 m，強度要求14天大于2 MPa。

采場回采順序：上向進路充填法1步驟采空區充填結束養護完畢后2步驟才能進行開采。1個礦塊沿走向內布置2條進路，分2步驟回采。由于每一個礦塊內設置了2條回采聯道，每個步驟可以由回采聯道對應的2邊進路組成1個回采單元，1個礦塊內有2個回采單元，1個回采單元按同一工序進行作業，即1個回采單元先進行鑿巖爆破，另一個回采單元進行出礦。

該次采場穩定性數值模擬采用的巖體物理力學參數結果見表1。

表1 巖體物理力學參數取值表

2 計算模型的建立

業隆溝地下基建首采礦段標高4 010～4 100 m，距離地表埋深平均150 m左右。該次模擬計算采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型，最終生成的上向進路分層充填法模型見圖1。采用三維巖土數值分析軟件FLAC3D進行進路分層開采對頂板上覆巖層穩定性計算分析。

圖1 分層進路法采場結構模型

采場結構尺寸：中段高度90 m，分段高度15 m，礦塊沿走向劃分和布置，礦塊長80 m，礦塊間留設間柱；同時對于大于8 m的厚礦體，礦塊采場中間位置也留設1間柱來控制采場地壓，間柱寬度尺寸為4 m，中段間留設1個分層高度的礦柱。回采進路垂直礦體走向布置，盤區由21條回采進路組成，進路斷面尺寸為(3.5～4)m×3.75 m，回采長度為礦體厚度，中段間由下往上進行回采。

3 進路分層開采對頂板上覆巖層穩定性計算分析

礦體開挖形成采空區后，圍巖應力遭受重新分布，引起圍巖和礦柱應力集中，穩定模擬結果分析如下：

(1)頂板塑性區分布云圖見圖2、圖3。可以看出：礦體1、2步驟逐層回采+充填交替均勻向上，采場進路頂板塑性擾動區只是零星分布，未形成連片大量的塑性擾動區，對進路作業頂板穩定性影響不大，只是在分層下盤邊界角隅處產生了一小部分塑性區，那是因為該位置正好是壓應力集中的區域。

(2)從圖2、圖3可以看出：分層角隅處作業頂板塑性區高度大約為3.75 m，塑性區高度不大，說明每次分層開采造成作業頂板產生的塑性區高度是有限的，說明采用上向分層進路充填法采礦，巷道空區跨度小，及時充填后，這樣使采空區及時得到支撐，限制圍巖和礦柱變形的發展，極大地保證了工作面的安全以及降低了頂板巖層的下沉程度，上向分層進路充填法能夠維護頂板上覆巖層的穩定，具有一定的可行性和安全保障性。

圖2 3.75 m高的分層開挖后，采場周邊圍巖塑性區分布云圖(走向剖面)

圖3 3.75 m高的分層開挖后，采場周邊圍巖塑性區分布云圖(剖面)

(3)頂板巖層整體下沉位移變形云圖，見圖4、圖5。可以看出：采空區頂板的變形基本呈現拱形效應，分段開采后，直接頂板整體最大下沉位移值為1.6 cm，頂板下沉變形量很小，說明頂板上覆巖層不會發生冒落，只是局部掉塊或小塌方現象會有可能發生，但是頂板上覆巖層整體大面積冒落不會發生，由此可見，分層進路礦體開挖后，加上及時充填，不會對頂板上覆巖層的穩定性產生影響，上覆巖層整體是穩定的，能夠滿足采場作業的安全。

圖5 3.75 m高的分層開挖后，頂板巖層整體下沉位移變形云圖(剖面)

4 結 語

該鋰礦礦脈中厚，巖體易于風化破碎，圍巖穩固性差，頂板允許暴露的面積非常有限，故而采用上向進路充填采礦法，實現有效控制采場地壓，控制頂板上覆巖層下沉變形，保障了回采工作面的人員作業的安全。通過以上FLAC3D數值模擬研究分析得出以下結論：(1)合理的采場跨度對于井下礦產資源高效、安全開采至關重要，得到了該礦區采場的位移場及塑性區擴展規律。模擬分析結果顯示，在該礦山工程地質條件差的情況下，4 m為采場進路的極限跨度，超過4 m頂板就會發生破壞，建議現場進路跨度不得超過4 m，這樣將能夠滿足采場圍巖整體穩定。

(2)礦體采用分層進路充填法開挖后，采場周邊圍巖產生的塑性區分布是很少且有限的，未波及到地表，不會對地表穩定產生影響，說明該進路充填法能有效地控制采場地壓，保障工作面的安全，實現維護好采空區周邊圍巖和地表的穩定。

(3)進路法采場頂板下沉變形量較小，跨度小，可控制進路采場頂板下沉變形，實現了采場周邊圍巖自穩能力，由此可見：進路充填采礦法作為開采節理裂隙發育的礦體是一種非常行之有效的方法。

(4)現場工業試驗表明，采用分層進路法后，礦石損失率和貧化率明顯很低，出礦效率高，效果良好，實現了礦山的安全、高效、經濟開采。