深部礦體卸壓安全開采技術研究

葉云杰

（中條山有色金屬集團公司健康安全環保部， 山西 中條山 043700）

深井開采為未來資源開采的趨勢。對于深井開采而言，其最為顯著的特征為環境呈現“三高一擾動”的情況。“三高”指的是生產環境的高地應力、高低溫以及高巖溶水；“一強”指的是開采擾動較為強烈。在“三高一強”的環境下開不僅會增加礦體的開采成本，而且在高應力環境下對應的開采難度也較大，開采效率也偏低[1]。因此，針對深部礦體的開采需要設計合理、有效、可行的開采技術，重點解決“三高一強”所面臨的實際問題。本文重點對深部礦體卸壓安全開采的技術進行研究。

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為塊狀，主要包含有鉛礦、黃鐵礦和黃鐵鉛鋅礦。經探測，該工作面礦體的含硫比例偏高，最高可達42.5%。該工作面礦體頂底板巖層的力學參數如表1 所示。

表1 礦體工作面頂底板巖層力學參數

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

2 深部礦體采礦方案的確定

結合礦體工作面的實際地質條件和礦體的特性。整個工作面礦巖相對穩定，各個巖層之間的應力以構造應力為主。經探測，巖層的溫度最高可達42 ℃，而且隨著現場溫度的升高極易導致現場礦體出現結塊的現象，甚至會出現礦體的自燃現象[2]。因此，為保證礦體的高效、安全開采，所設計的采礦方案必須遵循如下原則：

1）所設計的采礦方法可有效對工作面頂部和兩幫圍巖變形及應力的控制，可有效預防地表的沉降問題。

2）要求采礦區暴露的面積和暴露的時間應盡可能的少。

3）所設計的采礦方法應在貧化率和損失率兩個方面進行有效控制，并盡可能的減少工作面同時作業的場數[3]。

2.1 采礦方案的初步確定

結合實踐生產經驗，可適用于該工作面礦體開采的方法共包括有六種，每種開采方案對應的相關的技術指標對比如表2 所示。

表2 不同采礦方案對應的技術指標對比

基于模糊數學理論對上述六種開采方案建立模糊關系矩陣和權矩陣，基于兩個矩陣對不同采礦方案的綜合優越度進行對比。經對比可知，不同采礦方案對應的優越度如下頁表3 所示。

對比表3 中不同采礦方案的優越度，本工程可采用方案一，即盤區機械化高分層上向鑿巖充填采礦法對礦體進行開采。

2.2 采礦方案的最終確定

對表3 中的數據進行細化分析，方案一和方案三的優越度遠高于其他方案。因此，為了確保最終確定的采礦方案確實真正適用于該礦體的開采，能夠獲得最佳的開采效果。本節將通過數值模擬手段對方案一、方案三和方案四下對工作面頂板、底板以及充填體的穩定性進行對比分析。

表3 不同采礦方案對應優越度

首先，根據礦體所在工作面的地質、巖層等條件基于FLAC3D 軟件建立三維數值模擬模型，并且根據仿真內容對三維模型所劃分的單位數量為86 000個，節點數量為95 827 個[4]。

設定的邊界條件如下：該礦體所承受的應力以構造應力為主。其中，構造的最大主垂直應力值為31.2 MPa，而對應的水平方向的最大主水平應力為：31.2 MPa/1.02=30.59 MPa。

將三維模型中的礦體、灰巖、膠結體和尾砂體的力學參數根據礦體所在工作面的力學參數進行一一設置。設置完成后開始仿真分析，并重點對礦體工作面頂底板的最大主應力和頂板位移量進行對比，仿真結果如表4 所示。

表4 不同采礦方案對應的應力和頂板位移結果

分析表4 得出如下結論：

1）針對工作面頂板穩定性：三個采礦方案下，方案四對應的頂板最大主應力最小，方案一對應的頂板最大主應力最大。但是，三個方案對應的頂板最大主應力值均小于巖體本身的抗壓強度71.24 MPa。同時，方案一對應的頂板的位移量最小；而方案三和方案四對應的頂板位移量相近。

2）針對工作面底板穩定性：三個采礦方案下，方案四對應的底板最大主應力最小，方案一對應的底板最大主應力最大。但是，三個方案對應的底板最大主應力值均小于巖體本身的抗壓強度71.24 MPa，即底板也處于穩定狀態。

3）對于充填體的穩定性而言，三個采礦方案對應的充填體最大主應力均為10 MPa。

隨著不同采礦方案對應工作面頂板、底板和充填體的最大主應力不同，但是均在圍巖抗壓強度的范圍之內，即頂板和底板均處于穩定狀態[5]。而方案一對應頂板的位移量最小。因此，針對該礦體的開采選用方案一的采礦方案。

3 結語

針對深部礦體開采所面臨的“三高一強”較為惡劣的環境條件，若想保證深部礦體高效、安全開采必須克服“三高一強”的惡劣環境。因此，在當前先進礦體開采工藝的支撐下，選用最佳、最合理的采礦方案為保證開采效率和安全性的關鍵。針對礦體的開采，本文分別采用模糊數學理論和數值模擬手段最終確定處適用于該礦體開采的最佳、最合理的卸壓安全開采技術為盤區機械化高分層上向鑿巖充填采礦法。