深部礦體卸壓安全開(kāi)采技術(shù)研究

葉云杰

（中條山有色金屬集團(tuán)公司健康安全環(huán)保部， 山西 中條山 043700）

深井開(kāi)采為未來(lái)資源開(kāi)采的趨勢(shì)。對(duì)于深井開(kāi)采而言，其最為顯著的特征為環(huán)境呈現(xiàn)“三高一擾動(dòng)”的情況。“三高”指的是生產(chǎn)環(huán)境的高地應(yīng)力、高低溫以及高巖溶水；“一強(qiáng)”指的是開(kāi)采擾動(dòng)較為強(qiáng)烈。在“三高一強(qiáng)”的環(huán)境下開(kāi)不僅會(huì)增加礦體的開(kāi)采成本，而且在高應(yīng)力環(huán)境下對(duì)應(yīng)的開(kāi)采難度也較大，開(kāi)采效率也偏低[1]。因此，針對(duì)深部礦體的開(kāi)采需要設(shè)計(jì)合理、有效、可行的開(kāi)采技術(shù)，重點(diǎn)解決“三高一強(qiáng)”所面臨的實(shí)際問(wèn)題。本文重點(diǎn)對(duì)深部礦體卸壓安全開(kāi)采的技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文所研究礦體的埋藏深度位于地下的500～700 m 之間。礦體所在工作面的長(zhǎng)度為1 250 m，工作面的傾角范圍為25°～55°，平均傾角為45°；礦體的厚度范圍為4～38 m，礦體的平均厚度為12.74 m。該工作面礦體的資源主要呈現(xiàn)為塊狀，主要包含有鉛礦、黃鐵礦和黃鐵鉛鋅礦。經(jīng)探測(cè)，該工作面礦體的含硫比例偏高，最高可達(dá)42.5%。該工作面礦體頂?shù)装鍘r層的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 礦體工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

經(jīng)探測(cè)，礦體所屬工作面的最大涌水量可達(dá)315 m3/h，在正常情況下的涌水量為210 m3/h；瓦斯絕對(duì)涌出量為0。瓦斯的相對(duì)涌出量為0，屬于低瓦斯礦井。

2 深部礦體采礦方案的確定

結(jié)合礦體工作面的實(shí)際地質(zhì)條件和礦體的特性。整個(gè)工作面礦巖相對(duì)穩(wěn)定，各個(gè)巖層之間的應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。經(jīng)探測(cè)，巖層的溫度最高可達(dá)42 ℃，而且隨著現(xiàn)場(chǎng)溫度的升高極易導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)礦體出現(xiàn)結(jié)塊的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)礦體的自燃現(xiàn)象[2]。因此，為保證礦體的高效、安全開(kāi)采，所設(shè)計(jì)的采礦方案必須遵循如下原則：

1）所設(shè)計(jì)的采礦方法可有效對(duì)工作面頂部和兩幫圍巖變形及應(yīng)力的控制，可有效預(yù)防地表的沉降問(wèn)題。

2）要求采礦區(qū)暴露的面積和暴露的時(shí)間應(yīng)盡可能的少。

3）所設(shè)計(jì)的采礦方法應(yīng)在貧化率和損失率兩個(gè)方面進(jìn)行有效控制，并盡可能的減少工作面同時(shí)作業(yè)的場(chǎng)數(shù)[3]。

2.1 采礦方案的初步確定

結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可適用于該工作面礦體開(kāi)采的方法共包括有六種，每種開(kāi)采方案對(duì)應(yīng)的相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表2 所示。

表2 不同采礦方案對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

基于模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)上述六種開(kāi)采方案建立模糊關(guān)系矩陣和權(quán)矩陣，基于兩個(gè)矩陣對(duì)不同采礦方案的綜合優(yōu)越度進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比可知，不同采礦方案對(duì)應(yīng)的優(yōu)越度如下頁(yè)表3 所示。

對(duì)比表3 中不同采礦方案的優(yōu)越度，本工程可采用方案一，即盤區(qū)機(jī)械化高分層上向鑿巖充填采礦法對(duì)礦體進(jìn)行開(kāi)采。

2.2 采礦方案的最終確定

對(duì)表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分析，方案一和方案三的優(yōu)越度遠(yuǎn)高于其他方案。因此，為了確保最終確定的采礦方案確實(shí)真正適用于該礦體的開(kāi)采，能夠獲得最佳的開(kāi)采效果。本節(jié)將通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)方案一、方案三和方案四下對(duì)工作面頂板、底板以及充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 不同采礦方案對(duì)應(yīng)優(yōu)越度

首先，根據(jù)礦體所在工作面的地質(zhì)、巖層等條件基于FLAC3D 軟件建立三維數(shù)值模擬模型，并且根據(jù)仿真內(nèi)容對(duì)三維模型所劃分的單位數(shù)量為86 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為95 827 個(gè)[4]。

設(shè)定的邊界條件如下：該礦體所承受的應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。其中，構(gòu)造的最大主垂直應(yīng)力值為31.2 MPa，而對(duì)應(yīng)的水平方向的最大主水平應(yīng)力為：31.2 MPa/1.02=30.59 MPa。

將三維模型中的礦體、灰?guī)r、膠結(jié)體和尾砂體的力學(xué)參數(shù)根據(jù)礦體所在工作面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一一設(shè)置。設(shè)置完成后開(kāi)始仿真分析，并重點(diǎn)對(duì)礦體工作面頂?shù)装宓淖畲笾鲬?yīng)力和頂板位移量進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 不同采礦方案對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和頂板位移結(jié)果

分析表4 得出如下結(jié)論：

1）針對(duì)工作面頂板穩(wěn)定性：三個(gè)采礦方案下，方案四對(duì)應(yīng)的頂板最大主應(yīng)力最小，方案一對(duì)應(yīng)的頂板最大主應(yīng)力最大。但是，三個(gè)方案對(duì)應(yīng)的頂板最大主應(yīng)力值均小于巖體本身的抗壓強(qiáng)度71.24 MPa。同時(shí)，方案一對(duì)應(yīng)的頂板的位移量最小；而方案三和方案四對(duì)應(yīng)的頂板位移量相近。

2）針對(duì)工作面底板穩(wěn)定性：三個(gè)采礦方案下，方案四對(duì)應(yīng)的底板最大主應(yīng)力最小，方案一對(duì)應(yīng)的底板最大主應(yīng)力最大。但是，三個(gè)方案對(duì)應(yīng)的底板最大主應(yīng)力值均小于巖體本身的抗壓強(qiáng)度71.24 MPa，即底板也處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）對(duì)于充填體的穩(wěn)定性而言，三個(gè)采礦方案對(duì)應(yīng)的充填體最大主應(yīng)力均為10 MPa。

隨著不同采礦方案對(duì)應(yīng)工作面頂板、底板和充填體的最大主應(yīng)力不同，但是均在圍巖抗壓強(qiáng)度的范圍之內(nèi)，即頂板和底板均處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]。而方案一對(duì)應(yīng)頂板的位移量最小。因此，針對(duì)該礦體的開(kāi)采選用方案一的采礦方案。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)深部礦體開(kāi)采所面臨的“三高一強(qiáng)”較為惡劣的環(huán)境條件，若想保證深部礦體高效、安全開(kāi)采必須克服“三高一強(qiáng)”的惡劣環(huán)境。因此，在當(dāng)前先進(jìn)礦體開(kāi)采工藝的支撐下，選用最佳、最合理的采礦方案為保證開(kāi)采效率和安全性的關(guān)鍵。針對(duì)礦體的開(kāi)采，本文分別采用模糊數(shù)學(xué)理論和數(shù)值模擬手段最終確定處適用于該礦體開(kāi)采的最佳、最合理的卸壓安全開(kāi)采技術(shù)為盤區(qū)機(jī)械化高分層上向鑿巖充填采礦法。