張東杰，任鳳玉，曹建立，何榮興

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

近年來，隨著螢石礦產(chǎn)資源需求的不斷增加，螢石礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有了顯著提升，而安全高效的開采能力是礦山收益的根本保證。錫林浩特螢石礦位于廣闊的錫林郭勒草原之中，礦體傾角為80～90°，水平厚度2.5～10 m，礦體沿走長約450 m，螢石平均品位達(dá)到73.21%，屬于典型的急傾斜薄到中厚高品位礦床，采用淺孔留礦法開采[1-2]。礦山按照傳統(tǒng)65°錯動角進(jìn)行豎井保安礦柱的圈定[3-4]，隨著開采不斷向深部發(fā)展，發(fā)現(xiàn)深部螢石礦產(chǎn)資源越來越多的位于原保安礦柱圈定范圍內(nèi)，導(dǎo)致可采資源量大大降低，嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)營。因此，如何合理地確定豎井保安礦柱的尺寸，在保障礦山豎井安全運(yùn)行的前提下，避免不必要的資源浪費(fèi)成為了礦山亟待解決的難題。

本文結(jié)合錫林浩特螢石礦地質(zhì)與開采條件，首先對地表塌陷范圍及塌落角進(jìn)行了詳細(xì)測確，根據(jù)測確結(jié)果，提出利用臨界散體柱作用機(jī)理來優(yōu)化保安礦柱新思路，有效解決了傳統(tǒng)保安礦柱存在的過度圈定問題，釋放了大量可采資源，并且在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好效果。

1 地表塌陷范圍與塌落角測確

1.1 地表塌陷范圍調(diào)查

錫林浩特螢石礦采用淺孔留礦法開采，不可避免會在井下形成大規(guī)模采空區(qū)，一旦空區(qū)冒透地表，將形成明顯的塌陷坑[5-8]。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，目前在地表共形成4個不同規(guī)模的塌陷坑，呈“一”字形沿礦體走向由副井向主井方向依次排列。塌陷坑位置分布見圖1。

圖1 地表塌陷坑分布圖Fig.1 The distribution map of surface collapse pits

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果(圖2)，1#塌陷坑長約55 m，寬約20 m，目前正在利用廢石充填；2#塌陷坑整體近似圓形，直徑約20 m，由于該塌陷坑規(guī)模較小且上面為第四系黃土層，塌陷坑表面略有下沉，尚未進(jìn)行充填；3#塌陷坑，呈橢圓形，長軸約12.5 m，短軸約8 m，從塌陷坑邊緣可觀察到一中段的采場的頂板；4#塌陷坑呈長方形，長約10 m，寬約3.5 m。塌陷坑的周邊均設(shè)置了安全防護(hù)網(wǎng)。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)四個塌陷坑距離主井均比較遠(yuǎn)，對主井暫構(gòu)不成威脅，而1#塌陷坑距離副井最近，構(gòu)成的威脅也最大。因此，在后續(xù)塌落角測確分析中，將重點(diǎn)計算分析1#塌陷坑的塌落角，為后續(xù)保安礦柱優(yōu)化提供依據(jù)。

圖2 塌陷坑賦存狀態(tài)Fig.2 Occurrence status of collapse pits

1.2 塌落角測確

為獲取準(zhǔn)確的塌落角，需要探明地表塌陷范圍與井下廢石充填散體流動邊界，實(shí)現(xiàn)井下與地表協(xié)同對照測確。目前一中段與二中段經(jīng)多年開發(fā)巷道已廢棄，無法觀測廢石散體流動情況，故將三中段作為重點(diǎn)調(diào)查地點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)1#塌陷坑邊緣對應(yīng)的三中段穿脈巷道均已被冒落散體封堵(圖3)。

圖3 巷道被散體封堵部位與地表塌陷邊界投影圖Fig.3 Projection diagram of the roadway being blocked by the bulk and the surface collapse boundary

根據(jù)地表1#塌陷坑實(shí)測塌陷范圍，結(jié)合三中段水平所測得冒落散體塌落邊界及覆蓋層散體的塌落特性，得出沿礦體走向方向的塌落界限，見圖4。利用作圖法得出，1#塌陷坑沿走向方向的塌落角約85°。

1#塌陷坑沿傾向方向的分布形態(tài)見圖5，測得塌落角較緩一側(cè)為83°，較陡一側(cè)為88°。最終確定1#塌陷坑沿走向塌落角為85°，沿傾向塌落角取為83°。綜合安全設(shè)計考慮，在后續(xù)研究中將選用83°塌落角作為保安礦柱優(yōu)化的主要依據(jù)。

圖4 1#塌陷坑沿走向塌落界限分布圖Fig.4 Distribution of the collapse boundary along the along the strike of the 1# collapse pit

圖5 1#塌陷坑沿傾向塌落界限分布圖Fig.5 Distribution of the collapse boundary along the along the inclination of the 1# collapse pit

2 臨界散體柱作用機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，1#塌陷坑正在利用廢石散體填實(shí)，這些散體向塌陷坑邊壁施加主動側(cè)應(yīng)力，同時又承受邊壁巖體變形擠壓的被動側(cè)應(yīng)力。兩種應(yīng)力共同作用對邊壁巖體形成較大的側(cè)向承載力，增強(qiáng)邊壁巖體的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)塌陷坑內(nèi)散體對邊壁巖體的側(cè)向支撐力，會隨散體堆高度的增大而增加。當(dāng)充填散體堆積到一定程度，其頂部散體柱的承載能力能夠使底部散體的變形剛度足以克服邊壁巖體碎脹，以此來限制邊壁巖體的塌冒，這一高度的散體柱稱之為臨界散體柱[9-11]。

隨著井下開采深度的增加，塌陷坑散體不斷向下移動，而散體在下移的過程中保持連續(xù)流動。井下放礦時，從放礦口開始散體由近及遠(yuǎn)發(fā)生松動，松動體內(nèi)散體的密度減小，對傾斜邊壁側(cè)壓力減小。但在松動體之上，散體緩慢向下移動沉實(shí)的過程中，散體的移動跡線幾乎與斜壁平行，平行流動的散體同樣對邊壁施加側(cè)壓力，而且散體高度越大，密度越大，側(cè)壓力越大。當(dāng)平行流動的散體柱達(dá)到一定高度時，其下散體同樣會對側(cè)壁形成足夠大的支撐力，使塌陷坑側(cè)壁圍巖不再發(fā)生側(cè)向片落，同時由片落引發(fā)的地表塌陷相應(yīng)終止。因此，對于移動散體，同樣存在臨界散體柱，可以阻止邊壁片落，使地表塌陷范圍不會再增大。

由上述分析可知，塌陷坑內(nèi)臨界散體柱控制著邊壁巖體的片落范圍。如果在開采中能夠滿足臨界散體柱的高度與變形剛度不變，即可保證地表塌陷范圍不會發(fā)生大的變化。基于此，研究采用塌落角作為巖體陷落范圍大小的主要因素，將臨界散體柱與其上陷落坑的高度之和稱為臨界深度(圖6)，由幾何關(guān)系分析得出塌落角與采深的關(guān)系式，見式(1)。

(1)

式中：β為塌落角；α為礦體傾角；β0為巖移角；H為開采深度；h0為臨界深度。

當(dāng)臨界深度一定時，開采深度越大，塌落角也越大；當(dāng)采深一定時，臨界深度越小，塌落角越大。說明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。這一關(guān)系表明，如果向塌陷坑充填散體，使臨界散體柱的位置上移，可有效增強(qiáng)地表塌陷區(qū)邊界巖體的穩(wěn)定性，該作用機(jī)理已經(jīng)成功應(yīng)用于弓長嶺鐵礦的地表塌陷范圍控制[12]。

現(xiàn)階段，江蘇省在建的15個體育小鎮(zhèn)建設(shè)項目，分布于江蘇的9個地級市，主要集中于江蘇南部和西部地區(qū)，分布區(qū)域不均衡。從區(qū)位經(jīng)濟(jì)發(fā)展的視角分析，應(yīng)拓展思路，創(chuàng)新開發(fā)體育產(chǎn)業(yè)的“藍(lán)?！鳖I(lǐng)域，整體規(guī)劃發(fā)展沿海體育產(chǎn)業(yè)帶，建設(shè)體育小鎮(zhèn)的東部沿海新軸線。

圖6 塌陷角與采深關(guān)系Fig.6 Relationship between collapse angle and mining depth

綜合分析，當(dāng)臨界散體柱存在時，散體柱下方邊壁巖體的片落及巖移發(fā)展可受到有效限制，而實(shí)際可能發(fā)生片落或者巖移的邊壁巖體只是位于臨界散體柱所在高度范圍內(nèi)的部分巖體，只要保持塌陷坑內(nèi)臨界散體柱高度不變，地表邊壁巖體片落與巖移必將受到限制。而傳統(tǒng)的保安礦柱圈定方法忽略了塌陷坑內(nèi)散體的支撐作用，往往導(dǎo)致過大的保安礦柱圈定范圍。因此，保安礦柱合理尺寸的選擇需充分考慮塌陷坑內(nèi)散體的塌陷角與臨界散體柱的高度，最終由兩者來共同確定。

3 保安礦柱優(yōu)化方法

根據(jù)前述調(diào)查分析結(jié)果，用于保安礦柱優(yōu)化的塌落角選為83°，考慮到井筒位置與礦體的關(guān)系和生產(chǎn)安全需要，最終確定按81°的塌落角來確定保安礦柱，礦體傾角取85°，開采深度為195 m。由臨界散體柱的高度與空區(qū)邊壁傾角的關(guān)系式計算得出1#塌陷坑臨界散體柱的高度，見式(2)。

(2)

近地表巖層受地質(zhì)與環(huán)境條件影響，其穩(wěn)定性往往較深部原生巖體有所降低，導(dǎo)致地表巖移范圍會相應(yīng)增加，從安全角度考慮，將計算散體柱的高度乘以1.2的安全系數(shù)作為初始設(shè)計值，最終還將根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。由此安全系數(shù)確定出臨界散體柱的高度為105 m，優(yōu)化后豎井保安礦柱范圍見圖7，界限2代表距離豎井20 m的安全距離，即按照81°陷落角所圈定的新保安礦柱范圍(從地表距離豎井20 m距離，以豎井為中心按照81°陷落角向下延伸，達(dá)到臨界散體柱所需的安全高度后，垂直向下延伸，最終確定出新的保安礦柱范圍(以豎井為中心、半徑為40 m的圓柱區(qū)域))。

根據(jù)各中段的回采界限，并結(jié)合礦體開采的剖面圖，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后位于各中段保安礦柱范圍以外的原留礦柱均可以進(jìn)行回采。其中，二中段約有80 m長的礦體可以回采，三中段約有100 m長的礦體可以回采，四中段約有20 m長的礦體可以回采，五中段約有15 m長的礦體可以回采，螢石密度取3.18 g/cm3，礦體的平均厚度取3.0 m，可回采的礦石質(zhì)量按照式(3)進(jìn)行計算，計算結(jié)果見式(4)。

M螢石=V螢石·ρ螢石

(3)

M螢石=215×30×2.5×3.18×103=

0.51×108kg

(4)

式中：M螢石為螢石質(zhì)量，kg；V螢石為螢石體積，m3；ρ螢石為螢石密度，取3.18 g/cm3。

經(jīng)計算，按照優(yōu)化后保安礦柱圈定后，多回收礦石約5.1萬t，給礦山帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

4 方案實(shí)施效果

經(jīng)過近一年時間的充填作業(yè)，各個塌陷坑已被均勻充填，塌陷范圍得到有效控制，也沒有向豎井方向發(fā)生擴(kuò)張，其中1#塌陷坑充填效果見圖8。

圖7 優(yōu)化后豎井保安礦柱圈定范圍Fig.7 The delineation range of optimized shaft security pillar

圖8 1#塌陷坑充填效果圖Fig.8 The filling effect diagram of the 1# collapse pit

從圖8可以看出，1#塌陷坑完全被填實(shí)，在其上面形成了約4 m高的充填散體堆，塌陷坑兩側(cè)沒有出現(xiàn)明顯的斷裂線，塌陷范圍也沒有大的變化，只是在塌陷坑邊緣存在輕微的沉降，說明隨著采礦的不斷進(jìn)行，塌陷坑內(nèi)廢石散體仍然處于活動狀態(tài)。因此，礦山應(yīng)根據(jù)塌陷坑散體下沉情況進(jìn)行適時補(bǔ)充充填，以保證臨界散體柱的高度不向下移動。

5 結(jié) 論

1) 通過對地表塌陷情況調(diào)查分析，得出1#塌陷坑對豎井威脅最大，在保安礦柱優(yōu)化中，應(yīng)作為重點(diǎn)考慮對象。同時，研究提出了地表與井下協(xié)同測確的塌落角確定方法，獲得了更為準(zhǔn)確的塌落角值。

2) 研究提出了利用臨界散體柱作用機(jī)理優(yōu)化保安礦柱的新思路，有效解決了傳統(tǒng)保安礦柱存在的過度圈定問題。保安礦柱優(yōu)化后，釋放礦量約5.1萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3) 隨著井下采礦的進(jìn)行，塌陷坑內(nèi)臨界散體柱的高度受散體流動影響，可能會下移，通過對塌陷坑進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)充充填，可有效解決這一問題，通過現(xiàn)場實(shí)施，已取得良好效果。該優(yōu)化方法可為類似情況的礦山保安礦柱圈定提供借鑒。