何 寧

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

方解石是石灰?guī)r和大理巖的主要礦物，在生產(chǎn)生活中有很多用途。下坪田方解石礦是一家老礦新開礦山，原設(shè)有兩家礦山(漆樹灣方解石礦和赤樹灣方解石礦)，礦井整合以后，對原設(shè)計的開采工藝參數(shù)(礦柱、采場)進(jìn)行了調(diào)整，但其安全性未知。在新的開采工藝參數(shù)條件下，對礦山生產(chǎn)的安全性進(jìn)行科學(xué)的評價是一個亟待解決的關(guān)鍵問題，具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)及開采條件

1.1 地質(zhì)概況

本礦區(qū)地形屬低山丘陵地形，高程范圍+270～+700 m，當(dāng)?shù)氐那治g基準(zhǔn)面高程約為+315 m。 礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件皆屬中等類型。

礦區(qū)范圍內(nèi)共圈出1個重鈣用石灰?guī)r礦層，編號為Ⅰ號重鈣用石灰?guī)r礦層。在Ⅰ號重鈣用石灰?guī)r礦層中又圈定出3個方解石礦體，編號分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3，如圖1所示，各礦層(體)具體特征見表1。

1.2 開采概況

1.2.1 開拓方式

采用斜坡道開拓、無軌自卸汽車運輸方案。主硐口硐口標(biāo)高+327 m， 已開拓至+265 m標(biāo)高， 全長約450 m，平均縱坡13%。劃分為+325 m、+300 m、+270 m三個中段，其中+300 m中段及以上各段已全部回采結(jié)束。

圖1 礦體賦存剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of ore body occurrence profile

表1 各礦層(體)賦存狀況表Table 1 Occurrence of each ore bed (body)

1.2.2 開采方法及參數(shù)

由于本礦的產(chǎn)品必須最大限度地避免任何的污染，以保持礦產(chǎn)品的清潔，因此本礦不適用貧化較嚴(yán)重的崩落采礦法。且考慮開采成本，而選用空場采礦法[1-4]。

首先采用淺孔留礦法工藝回采上盤礦體，形成一個寬4 m的落礦自由面，再采用分段空場法整體回采下盤礦體，采用平底結(jié)構(gòu)出礦。

1) 沿礦體走向布置。 當(dāng)?shù)V(體)層厚度小于30 m時，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為50 m，礦塊寬度為礦體厚度，頂柱10 m，間柱8 m，回采分層高度自下而上分別為10 m、15 m和15 m，采用平底式底部結(jié)構(gòu)，底部鏟運機出礦。

2) 垂直走向布置。當(dāng)?shù)V(體)層厚度大于30 m時，礦塊垂直礦體走向布置，礦塊長度為50 m，礦塊寬度40 m，頂柱10 m，間柱8 m，平行礦房間留設(shè)10 m 礦柱，回采分層高度自下而上分別為10 m、15 m和15 m，采用平底式底部結(jié)構(gòu)，底部鏟運機出礦。

2 開采參數(shù)理論評價

2.1 巖柱穩(wěn)定性理論分析

在保護(hù)巖柱中一般存在三個區(qū)域：Ⅰ破裂區(qū)、Ⅱ塑性區(qū)、Ⅲ彈性區(qū)(在巖柱中心部分被塑性區(qū)包圍的、未受擾動的柱核區(qū))[5-7]。具體如圖2所示。

圖2 巖柱中的不同變形區(qū)域Fig.2 Different deformation areas in the rock column

在塑性區(qū)，巖柱遭到不同程度的破壞及產(chǎn)生一定的流變，但由于塑性區(qū)的約束和支承壓力較高的側(cè)壓力的作用，提高了柱核區(qū)的強度，從而使柱核區(qū)基本上處于彈性變形狀態(tài)。

1) 塑性區(qū)寬度。礦層中的塑性區(qū)寬度R可根據(jù)極限平衡理論，以式(1)～(3)進(jìn)行計算。

(1)

(2)

(3)

式中：R為塑性區(qū)寬度，m；f為礦體與頂?shù)装褰佑|面摩擦系數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)；h為開采高度，m(取40 m)；φ為巖層內(nèi)摩擦角，(°，φ=45°)；k為開挖引起的應(yīng)力系數(shù)，一般為4～5(取5)；γ為上覆巖層的平均容重，t/m3(取2.69 t/m3)；H為開采深度，m(取200 m)；C為黏聚力，MPa(取35 MPa)；Px為護(hù)幫支護(hù)強度(取0)。

為了保持巖柱的穩(wěn)定性，柱核區(qū)寬度一般不小于1～2 m，則巖柱寬度B應(yīng)以式(4)計算。

B=2R+(1～2)

(4)

石灰?guī)r參數(shù)：泊松比μ:0.2～0.35；彈性模量E:50～100 GPa；內(nèi)摩擦角φ:35°～50°；內(nèi)聚力c:3.5～40 MPa；抗壓強度:96 MPa(6～360 MPa)；抗剪強度:17 MPa(10～20 MPa)；抗拉強度:3～6 MPa。

由此可計算得：在+200 m段時，巖(立)柱寬度應(yīng)不小于6.25～7.25 m(取8.0 m)；在+150 m段時，巖(立)柱寬度應(yīng)不小于7.34～8.34 m(取9.0 m)；在+100 m段時，巖(立)柱寬度應(yīng)不小于8.12～9.12 m(取10.0 m)。

根據(jù)計算結(jié)果可知，在+150 m段、+200 m段開采時，留8 m巖柱略小，存在不穩(wěn)定隱患。

2.2 采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性理論分析

1) 應(yīng)力平衡。在礦體采用“淺孔留礦法、分段空場法”開挖后，破壞了圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。在水平應(yīng)力作用下，在頂板、底板形成承載應(yīng)力拱，使承載應(yīng)力拱內(nèi)的頂板、底板巖層產(chǎn)生離層破壞區(qū)，存在潛在的冒落危險[8]。

空場礦壓顯現(xiàn)強度取決于空場高度(采20 m留10 m，采40 m留10 m)、寬度(采30 m留8 m，采60 m留8 m)。由于應(yīng)力相互疊加作用，引起巖層應(yīng)力變化狀態(tài)的重新分布，使巖柱垂直應(yīng)力和空場頂板水平應(yīng)力增大。

2) 空場跨度分析?？請鲰敯灏垂讨Я嚎紤]，根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)頂板巖層所受最大拉應(yīng)力達(dá)到巖層抗拉強度極限(Rt)，即σmax=Rt，巖層將在該處斷裂，其最大極限懸露跨距以式(5)計算[9-10]。

(5)

式中：Lmax為最大極限懸露跨距，m；h為巖石頂梁厚度，m；Rt為抗拉強度極限，MPa(取3～6 MPa)；q為均布載荷，N/m2。

當(dāng)h=10 m，計算得：Lmax=47.2～66.8 m；h=30 m，計算得：Lmax=81.8～115.7 m。由此可知：在+200 m段開采時，空場寬度應(yīng)小于80 m(原設(shè)計60 m)；在+150 m段開采時，空場寬度應(yīng)小于47 m(取45 m)；在+100 m段開采時，空場寬度應(yīng)小于47 m(取45 m)。

3 開采過程穩(wěn)定性UDEC模擬評價

UDEC軟件基于拉格朗日算法，可模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。以下坪田礦體為基礎(chǔ)，建立模型[8,11-13]。為了觀測同層開采、上段開采及下段開采對采空區(qū)間柱穩(wěn)定性的影響，而在每段采空區(qū)的8 m間柱中設(shè)置觀測點，共設(shè)置5個觀測點(1號測點～5號測點)，如圖3所示。+300 m、+270 m、+200 m、+150 m、+100 m五塊段開挖以后，各間柱都將承受各段開采產(chǎn)生的礦山壓力，各點應(yīng)力曲線如圖4所示。隨著各段采空區(qū)的形成，在各段頂板中形成從小到大的1號～5號承載拱結(jié)構(gòu)，如圖5所示。各測點應(yīng)力變化情況參見表2。

圖3 采空區(qū)8 m間柱監(jiān)測點布置位置Fig.3 Layout of monitoring points of 8 m pillars in goaf

圖4 1號測點～5號測點應(yīng)力曲線Fig.4 Stress curve of No.1-No.5 measuring points

圖5 頂板承載拱形成示意Fig.5 Formation of roof bearing arch

表2 各測點應(yīng)力變化情況匯總Table 2 Summary of stress changes at each measuring point

3) 模擬結(jié)論。①隨著本塊段礦體的開采，都經(jīng)歷了應(yīng)力急劇上升的過程;②每個塊段開挖以后，在頂板形成承載拱，使得各塊段間柱有1次或多次卸壓現(xiàn)象;③本塊段開挖以后，在底板形成承載拱，使本塊段測點卸壓;④在本塊段開采過程，間柱穩(wěn)定，在下層開采卸壓以后，仍然保持穩(wěn)定。

4 案例分析

在+200 m段以采60 m留8 m的空場采礦法進(jìn)行開采，以淺孔留礦法工藝回采上盤礦體，形成一個寬4 m的落礦自由面；以分段空場法整體回采下盤礦體(圖6)，采用平底結(jié)構(gòu)出礦。

圖6 工程實踐現(xiàn)場實測Fig.6 Field measurement of engineering practice

經(jīng)現(xiàn)場實測，“淺孔留礦法和分段空場法”所留采空區(qū)頂板及礦柱是相對穩(wěn)定的，滿足安全生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論與建議

1) 根據(jù)理論計算，“淺孔留礦法和分段空場法”在+150 m段、+200 m段開采時，留8 m巖立柱略小，存在不穩(wěn)定隱患。+150 m段應(yīng)不小于8.5 m，+100 m段應(yīng)不小于9.5 m。

2) 模擬得知：每個塊段開挖以后，在頂板形成承載拱，使得各塊段間柱有1次或多次卸壓現(xiàn)象。上段開采對本段開采造成擾動影響較小，上段開挖給本段部分壓力得到釋放，比只開挖本段時的礦壓顯現(xiàn)較弱，更有利于本段的開采。

3) 實際生產(chǎn)中應(yīng)按如下參數(shù)進(jìn)行開采：在+200 m段開采時，采60 m、留8.0 m。在+150 m段開采時，采45 m、留9.0 m。在+100 m段開采時，采45 m、留10.0 m。實踐表明空場頂板及巖柱基本保持穩(wěn)定。