地下矿山两相邻矿体开采扰动关系与协同步距分析_陈庆发.pdf

地下矿山两相邻矿体开采扰动关系与 协同步距分析 陈庆发杨承业肖体群 （广西大学资源环境与材料学院， 广西 南宁 530004） 摘要对于金属矿床地下开采的两相邻矿体， 从根本上弄清两相邻矿体之间的开采扰动关系与回采步距， 对于实现矿产资源优化开采与地压安全管理具有重要意义。以往研究主要关注于开采顺序对围岩应力分布状态 产生的影响， 未从理论上对两相邻矿体间的扰动关系进行详细分析。基于协同开采理念， 分析了不同倾角和不同 矿层间距条件下两相邻矿体的开采扰动关系， 给出了相应的协同步距计算公式， 并结合山东会宝岭铁矿两急倾斜 相邻矿体和云南斗南锰矿两缓倾斜相邻矿体开展了工程案例分析。研究表明 ①水平缓倾斜两相邻矿体仅存在 下层矿体回采对上层矿体扰动关系1种类型， 倾斜急倾斜两相邻矿体存在无扰动关系、 单一矿体扰动关系和两 矿体相互扰动关系3种类型； ②相应的协同步距计算公式由开采方式与矿体相关参数综合决定； ③会宝岭铁矿的 两急倾斜相邻矿体宜同步回采， 云南斗南锰矿两缓倾斜相邻矿体的V8矿层应超前V7a矿层2个矿块回采。研究成 果可为地下矿山两相邻矿体安全、 高效、 绿色、 协同开采提供参考。 关键词地下开采协同开采扰动关系协同步距回采顺序 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-001-07 DOI10.19614/ki.jsks.201907001 Analysis of Mining Disturbance Relationship and Synergistic Step between Two Adjacent Orebodies Chen QingfaYang ChengyeXiao Tiqun2 （College of Resources， Environment and Materials， Guangxi University， Nanning 530004， China） AbstractFor the two adjacent orebodies underground mining of metal deposits， it is important to understand the min- ing disturbance relationship and the mining step distance between them to achieve optimal mining of mineral resources and safety management of ground pressure.Previous studies have focused on the influence of mining sequence on the stress distri- bution state of surrounding rock， and have not theoretically analyzed the disturbance relationship between two adjacent ore- bodies in detail.Based on the concept of synergistic mining， the disturbance relations of two adjacent orebodies under different dip angles and different ore intervals are analyzed， the corresponding synergistic step calculation ula is given， and the en- gineering case analysis is carried out in combination with the two steeply inclined adjacent orebodies of Shandong Huibaoling Iron Mine and the two gently inclined adjacent orebodies of Yunnan Dounan Manganese Mine.The study results show that① there is only one type of lower orebody mining to disturb the upper orebody in the horizontal-slowly inclined two adjacent orebodies， and the inclined-slanting two adjacent orebodies can be divided into three typesundisturbed relationship， single orebody disturbance relationship and mutual disturbance relationship between two orebodies； ②the corresponding calculation ula of the synergistic distance of two adjacent orebodies is synthetically determined by the mining and the relevant parameters of the orebody； ③the two steeply inclined adjacent orebodies of Huibaoling Iron Mine should be synchronously re- covered， and the V8ore of the two gently inclined adjacent orebodies in Yunnan Dounan Manganese Mine should be advanced by two ore blocks in the V7aore layer.The above study results can provide reference for the safe， efficient， green and coopera- tive mining of two adjacent orebodies in underground mines. KeywordsUnderground mining， Synergistic mining， Disturbance relationship， Synergistic step， Mining sequence steps 收稿日期2019-05-10 基金项目广西自然科学基金联合资助培育项目 （编号 2018GXNSFAA138105） 。 作者简介陈庆发 （1979） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 采矿工程 1 ChaoXing 金属矿山2019年第7期总第517期 矿山开采过程中， 由于应力调整致使围岩发生 相应形变甚至破坏。两相邻矿体地下开采时， 回采 其中单一矿体， 可能会对其邻近矿层形成较强的应 力扰动， 改变原岩应力场， 给矿山安全开采、 地压管 理、 采准工程布置等带来不利影响 ［1-2］。 现有的专业教材仅对相邻矿体的回采顺序进行 了简单分析 ［3］； 杨选臣等［4］采用模拟试验法分析了缓 倾斜多层邻近薄矿体的开采方法； 胡倩等 ［5-7］针对倾 斜急倾斜多层排列矿体， 分析了两层矿层回采的 超前关系及安全回采顺序； 李雪珍等 ［8］分析了会宝岭 铁矿急倾斜相邻矿体开采对夹层稳定性的影响， 并 对矿体的合理回采顺序进行了讨论； 叶义成等 ［9］分析 了缓倾斜多层矿床充填法开采的围岩变形和回采顺 序； 邓红卫等 ［10］对多层矿体的回采顺序进行了数值 模拟分析， 并提出了相应的回采优化方案。此外， 对 于相邻矿体开采扰动的研究， 张绪言 ［11］对极近距离煤 层群开采时不同回采顺序对下层巷道围岩的应力影 响进行了分析； 李家卓等 ［12］对煤层群邻近层多工作面 的回采顺序进行了数值计算， 分析了不同回采顺序下 底板动压回采巷道的围岩力学特性； 卢宏建等 ［13］运用 有限元数值模拟软件对采空区围岩应力在多次开挖 扰动下的演化规律进行了研究。 本研究基于协同开采理念 ［14-16］， 分析水平缓倾 斜及倾斜急倾斜相邻矿体的开采扰动关系， 推导 相邻矿体协同步距 ［17］的计算公式， 并结合会宝岭铁 矿两急倾斜相邻矿体和云南斗南锰矿两缓倾斜相邻 矿体 ［18］的禀赋特点， 进行工程案例分析。 1两相邻矿体之间的开采扰动关系分析 两相邻矿体主要分为水平 （小于5） 缓倾斜 （5 ～30） 、 倾斜 （30～55） 急倾斜 （大于55） 两种基本 类型。两种类型的相邻矿体在开采过程中产生围岩 扰动的原因有所不同 （1） 对于水平缓倾斜两相邻矿体， 在其开采后 所形成的采空区上方的岩层由于开采扰动而向采空 区方向产生形变， 最终会导致上覆岩层垮落。 （2） 在倾斜急倾斜两相邻矿体开采时， 上下层 围岩在空间上形成近乎平行排列的顶底柱相互支撑 的夹墙， 由于夹墙较薄， 当夹墙承受的负荷超过其岩 体的极限强度时， 可导致夹墙倾覆， 而使上下层围岩 向采空区移动， 最终导致矿山大规模的岩层移动和 崩落 ［19］。上下层岩层的移动范围可用岩层移动角表 示， 移动盆地主断面上临界变形点和采空区边界点 的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角称为岩层 移动角 ［20］。 1. 1水平缓倾斜两相邻矿体 1. 1. 1两水平相邻矿体 对于两水平相邻矿体而言， 仅存在沿走向的回 采方式， 其开采扰动关系如图1所示。此时， 上层矿 体的回采仅对其上覆岩层产生影响， 而对下层矿体 基本不造成任何影响； 下层矿体回采所形成的采空 区， 使上覆岩层产生垮落从而对上层矿体产生影响， 其影响范围为图1中阴影部分， 其回采影响范围远大 于采空区范围。 1. 1. 2两缓倾斜相邻矿体 两缓倾斜相邻矿体存在沿走向和倾向两种回采 方式， 沿走向回采时其扰动关系与两水平相邻矿体 的扰动关系类似， 沿倾向回采时的开采扰动关系如 图2所示。在下行式回采时 （图2 （a） ） ， 矿体1的采空 区势必会对矿体2造成扰动； 在上行式回采时 （图2 （b） ） ， 矿体1也会对矿体2产生扰动。 1. 2倾斜急倾斜两相邻矿体 倾斜急倾斜两相邻矿体一般采用下行式开采 方式， 根据矿体倾角大小不同， 可分为两种情况， 即矿 体倾角小于岩层移动角、 矿体倾角大于岩层移动角。 1. 2. 1矿体倾角小于岩层移动角 当矿体倾角小于岩层移动角时， 两相邻矿体的 开采扰动关系如图 3 所示。矿层间距较小时 （图 3 2 ChaoXing 陈庆发等 地下矿山两相邻矿体开采扰动关系与协同步距分析2019年第7期 （a） ） ， 上层矿体会受到下层矿体开采扰动的影响， 而 下层矿体则在上层矿体开采扰动范围以外。根据图 3 （a） 几何关系， 可得到下层矿体对上层矿体的影响高 度h与矿层间距a的关系式 h a cotα2cotβ1 .（1） 当矿层间距增大到a1时， 下层矿体对上层矿体 开采扰动影响的高度h达到矿体2的垂直高度H2（图 3 （b） ） 。此时， 下层矿体回采不再对上层矿体产生开 采扰动影响， 即当a＞a1时， 两相邻矿体间不再有开采 扰动影响。 1. 2. 2矿体倾角大于岩层移动角 当矿体倾角大于岩层移动角时， 两相邻矿体的 开采扰动关系如图4所示。 当矿层间距较小时 （图4 （a） ） ， 上层矿体回采会 对下层矿体产生开采扰动影响， 下层矿体回采也会 对上层矿体产生开采扰动影响。根据图4 （a） 几何关 系， 可得到上层矿体对下层矿体的影响高度H和矿 层间距a之间的关系式 H a cotγ2-cotα1 .（2） 联合式 （1） 、 式 （2） ， 可得到H与h之间的关系式 H h∙sinα2β1∙sinγ2∙sinα1 sinα1-γ2∙sinα2∙sinβ1 .（3） 一般而言， 上层移动角小于下层移动角， 由式 （3） 可知H在一般情况下大于h。 当矿层间距增大到a2时， 上层矿体对下层矿体的 影响高度H增大到H1（图4 （b） ） 。此时， 上层矿体回 采不再对下层矿体产生开采扰动影响， 而下层矿体 回采仍然对上层矿体有开采扰动影响。 当矿层间距增大到a3时， 下层矿体对上层矿体的 影响高度h增大到H2（图4 （b） ） 。此时， 下层矿体回采 不再对上层矿体造成开采扰动； 即当a＞a3时， 两相 邻矿体间不再有开采扰动影响。 2两相邻矿体协同步距分析 基于前述两相邻矿体间不同情况下的扰动关 系分析， 可根据矿体开采方式与相应的开采参数， 3 ChaoXing 金属矿山2019年第7期总第517期 得到两相邻矿体的协同步距计算公式。 2. 1水平缓倾斜两相邻矿体协同步距分析 2. 1. 1两水平相邻矿体协同步距 两水平相邻矿体沿走向方向回采时， 其开采扰动 影响如图5所示。此时， 上层矿体回采至F点， 下层矿 体回采至E点， 下层矿体对上层矿体的扰动影响范围 最大达到G点， 上层矿体在F点的回采工作受到下层 矿体扰动影响。若实现两水平相邻矿体协同开采， 上 层矿体应超前回采， 且超前距离应大于FG的长度。 由前述开采扰动关系的分析， 可知EF的长度为 矿层间距d， 根据EF和FG的几何关系， 可得到FG的 长度为 FG d tanδ0.（4） 设上层矿体超前的矿块数为N， 可由下式计算 NROUNDUP■ ■ ■ ■ ■ ■ d l∙tanδ0 1， （5） 式中，ROUNDUP ∙表示向上取整运算。 2. 1. 2两缓倾斜相邻矿体协同步距 两缓倾斜相邻矿体沿倾向回采的情况如图6所 示。 当两缓倾斜相邻矿体下行式回采时 （图6 （a） ） ， 上层矿体回采至B点， 下层矿体回采至A点， 下层矿 体对上层矿体造成的开采扰动影响最大可至D点， 上 层矿体在B点的回采行为受到下层矿体开采扰动影 响。若实现两缓倾斜相邻矿体协同开采， 上层矿体 应超前回采， 超前距离应大于BD的长度。由图6 （a） 可得BD与矿层间距d的关系式为 BD d cosα2∙tanβ0∙cosα2sinα2 .（6） 设此时上层矿体下行式回采时需要超前的矿块 数为N1， 可由下式计算 N1ROUNDUP■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ d l∙cosα2∙tanβ0∙cosα2sinα2 1. （7） 当两缓倾斜相邻矿体上行式回采时 （图6 （b） ） ， 上层矿体回采至B1点， 下层矿体回采至A1点， 此时下 层矿体对上层矿体的开采扰动影响最大可至D1点， 上层矿体的B1点处于下层矿体的扰动范围内。此 时， 若实现两缓倾斜矿体协同开采， 上层矿体应超前 回采， 且超前距离应大于B1D1的长度。由图6 （b） 可 得B1D1与矿层间距d的关系式为 B1D1 d cosα2∙tanγ0∙cosα2-sinα2 .（8） 设此时上层矿体上行式回采时需要超前的矿块 数为N2， 可进行如下计算 N2ROUNDUP■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ d l∙cosα2∙tanγ0∙cosα2-sinα2 1. （9） 2. 2倾斜急倾斜两相邻矿体协同步距分析 在开采倾斜急倾斜矿体时， 往往将矿体在垂 直方向上分为若干个阶段， 而后在阶段内进行分层、 分段、 阶段开采， 如图7所示。基于相邻矿体开采扰 动关系的分析， 可将倾斜急倾斜两相邻矿体的开 采扰动关系分为3类 无扰动关系、 单一矿体扰动关 系、 两矿体相互扰动关系。 2. 2. 1无扰动关系 当倾斜急倾斜两相邻矿体满足矿体倾角大于 岩层移动角且矿体间距a＞a3， 或者矿体倾角小于岩 层移动角且矿体间距a＞a1时， 即为无扰动关系。此 时， 两矿体间互相不产生开采扰动影响， 可进行同步 回采， 即协同开采。 2. 2. 2单一矿体扰动关系 当倾斜急倾斜两相邻矿体满足矿体倾角大于 岩层移动角且矿层间距a∈a2,a3， 或当矿体倾角小 于岩层移动角且矿体间距a∈0,a1时， 即为单一矿 体扰动关系， 如图8所示。此时， 上层矿体会受到下 层矿体开采扰动影响， 而下层矿体不受上层矿体开 4 ChaoXing 2019年第7期陈庆发等 地下矿山两相邻矿体开采扰动关系与协同步距分析 采扰动影响。单一矿体扰动关系的两相邻矿体需实 现协同开采时， 其协同步距应保证上层矿体的采场 在下层矿体的开采扰动影响范围以外。 当矿体开采时的阶段高度l小于下层矿体对上 层矿体开采扰动的垂直高度h时 （图8 （a） ） ， 两矿体同 时进行同水平的第2号矿段回采， 上层矿体的2号矿 段并未在下层矿体的2号矿段开采扰动影响范围以 内。即当l＜h时， 无论是进行分段、 分层开采， 还是 阶段开采， 两相邻矿体均可进行同步回采。 当矿体开采的阶段高度l大于下层矿体对上层矿 体开采扰动的垂直高度h时 （图8 （b） ） ， 上层矿体和下 层矿体同时开采到2号矿段， 此时上层矿体的2号矿 段处于下层矿体2号矿段的开采扰动范围以内。即当 l＞h时， 两相邻矿体进行同水平矿段开采时， 上层矿体 开采会受到下层矿体开采扰动影响。此开采条件下， 若要实现阶段协同开采， 上层矿体的开采应超前下层 矿体一个阶段高度， 即协同步距为一个矿段高度。 同理， 为实现分层或分段回采， 若分层或分段高 度c＜h， 两相邻矿体可同步开采； 若c＞h， 要实现相 邻矿体的协同开采， 协同步距为一个分段或一个分 层高度 （上层矿体超前） 。 2. 2. 3两矿体相互扰动关系 当倾斜急倾斜两相邻矿体满足矿体倾角大于 岩层移动角且矿层间距a∈0,a2时， 即为两矿体开 采存在相互扰动关系， 如图9所示。此时， 无论采用 何种方式开采， 两矿体均会因采空区围岩移动而相 互影响， 协同步距应确保两矿体的采场布置于开采 扰动影响范围以外。 当阶段高度l小于下层矿体对上层矿体开采扰 动的垂直高度h （图9 （a） ） 时， 上下层矿体间互相不产 生开采扰动影响。对于这种情况， 无论是进行分段、 分层开采， 还是阶段开采， 均可进行同步回采。 当阶段高度l＞h， 但小于上层矿体对下层矿体 开采扰动的垂直高度H （图9 （b） ） 时， 上层矿体和下层 矿体同时回采2号矿段， 上层矿体的2号矿段会受到 下层矿体开采扰动影响。若实现相邻矿体协同开 5 ChaoXing 采， 上层矿体须超前于下层矿体开采。若满足阶段 高度2l＜H， 协同步距为一个阶段高度 （上层矿体超 前） ； 若满足阶段高度2l＞H， 上层矿体超前于下层矿 体一个阶段开采时， 下层矿体正在开采的采场也会 受到上层矿体开采扰动影响， 如果采用阶段协同开 采方式， 会存在安全隐患， 此时进行分层或分段协同 开采更为合理。当分层和分段高度c＜h时， 相邻矿 体可同步回采； 当c＞h时， 其协同开采步距为一个分 层或分段高度 （上层矿体超前） 。 当阶段高度l＞H（图9 （c） ） 时， 上层矿体和下层 矿体同水平矿段均受到相邻矿体开采扰动影响。对 于这种情况， 同水平阶段下层未采矿体必然处于上层 矿体开采扰动影响范围以内。此时， 采用阶段协同开 采方式安全性较差， 应采用分层或分段协同开采方 式； 同理， 分层或分段高度c应小于H， 保证相邻矿体协 同开采作业安全。当分层或分段高度c＜h时， 可进行 同步开采； 当h＜c＜H时， 要实现两矿体的协同开采， 上层矿体应超前于下层矿体开采。当其超前开采的 分层或分段距离大于H时， 上层矿体也会对下层矿体 正在开采的采场产生影响， 此时上层矿体超前于下层 矿体的最大分层或分段数n可进行如下计算 nROUNDDOWNH d，（10） 式中， n≥1；ROUNDDOWN ∙表示向下取整运算。 对于矿体的阶段高度2l＞H、l＞H和分层高度 c＞H这3种情况， 实际工程中由于采空区坍陷不会立 即发生， 可采用超前支护或及时充填等手段来保证工 程稳定性， 也可使用更安全的采矿方法规避灾害。 3工程案例 3. 1会宝岭铁矿两急倾斜相邻矿体 会宝岭铁矿为隐伏状矿床， 该矿床北矿带由N1 和 N2矿体组成， 两矿体平行展布。矿体赋存标高 为60～-410 m， 地表平均标高约100 m。矿体走向 280～288， 倾向南， 倾角为78～89， 平均为84。 N1和N2矿体的平均厚度为24.29 m， 矿体间距20～40 m， 平均为30 m， 矿体赋存特征如图10所示。矿岩顶 底板围岩以黑云角闪片岩和黑云变粒岩为主， 夹石 层主要为黑云变粒岩， 少量黑云角闪片岩及含磁铁 黑云角闪片岩等， 矿岩完整性较好。开采阶段高度 为70m， 分段高度为23.3 m， 取上层围岩移动角β为 55， 下层围岩移动角γ为60， 矿层间距a为30 m， 矿 层倾角α为84。根据式 （1） 计算的下层矿体对上层 矿体的开采扰动高度h为37.25 m， 根据式 （2） 计算得 上层矿体对下层矿体的开采扰动高度H为63.52 m。 会宝岭铁矿采用分段开采方式， 其分段高度c＜h， 相 邻矿体N1和N2可同步回采。 3. 2斗南锰矿两缓倾斜相邻矿体 斗南锰矿是一个缓倾斜、 急倾斜层状沉积锰矿 床， 其中较典型的、 具备开采条件的是V7a矿体和V8矿 体， 如图 11 所示。矿层间距为 7.8～13 m， 平均为 10.1 m， 矿层倾角为30， 矿层沿倾向方向自上而下开 采， 矿房长度为10 m。V7a矿体直接顶板为泥质粉砂 岩， 平均厚度为1.5 m， 平整而稳固， 矿层底板为粉砂 岩和泥质粉砂岩， 平均厚度为11.13 m ， 中等稳固。 开采V7a矿体必然会对V8矿体开采造成扰动， 对 V8矿体进行超前回采可保证两矿体协同开采， 根据 矿层顶底板的地质条件， 可取上山移动角γ为70， 下 山移动角β为28， 由式 （7） 计算得V8矿体超前回采的 矿块数为2， 即协同开采步距为2个矿块长度 （V8矿体 超前开采于V7a矿体） 。 4结论 （1） 分析了水平缓倾斜两相邻矿体与倾斜急 倾斜两相邻矿体的开采扰动关系， 水平缓倾斜两相 邻矿体仅存在下层矿体回采对上层矿体扰动关系1种 类型， 倾斜急倾斜两相邻矿体存在无扰动关系、 单 一矿体扰动关系和两矿体相互扰动关系3种类型。 （2） 根据开采方式和采场布置参数分析了水平 缓倾斜相邻矿体和倾斜急倾斜相邻矿体的协同 步距， 得到了不同开采扰动关系下两相邻矿体协同 步距的计算公式。 （3） 以会宝岭铁矿两缓倾斜相邻矿体和斗南锰矿 金属矿山2019年第7期总第517期 6 ChaoXing 两急倾斜相邻矿体为例， 分析认为会宝岭铁矿两缓倾 斜相邻矿体可同步回采， 斗南锰矿两急倾斜相邻矿体 的V8矿层宜超前开采于V7a矿层2个矿块长度。 参 考文 献 杨福波.多中段回采对采空区顶板稳定性影响的研究 ［J］ .采矿 技术， 2013， 13 （1） 39-65. 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