灾害性群空区深部开采采场结构参数优化研究.pdf

第 1 8卷第 1 1 期 2 0 0 9年 1 1月 中 国 矿 业 CHI NA MI NI NG M AGAZI NE Vol _1 8．No ．1 1 Nov e mb er 2 00 9 灾害性群 空区深部开采采场结构参数优化研 究 唐绍辉，黄英华，潘 懿 长 沙矿 山研 究院金属 非金 属矿 山安全 工程技 术 研 究 中心 ，湖 南 长 沙 4 1 0 0 1 2 摘要 铜坑矿区 内，多个矿体 在垂直 方 向上 呈重 叠状产 出 ，彼此 之 间相隔较 近 ，甚 至连在 一起 。 多层矿体重复采动 ，多中段 同时作业 ，形成 了相 互影 响 的复杂 开采格 局 。经过 3 O多年 的大 规模 开采 ， 已积累 了数百万 m。的采空区 ，开采技术难度大 ，地压 控制极其 复杂 。在 矿 山岩 体工程 地质条 件研究 的 基础上 ，采用核 区强 度理 论 、B i e n i a ws k i 强度公式进 行 了采 场矿 柱 、间柱 的稳定性 计算 。基 于弹性力 学 小变形薄板理论方法 分析 了顶柱安全厚度 ，提 出了 9 2 矿体采 场合理 的结 构参数 ，为控制 9 2 矿体 安全 开采提供 了技术依据 。 关键词 群空区 ； 深部 开采 ； 地压控制 ；参数优化 中图分 类号 T D8 2 3 ． 8 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 9 1 1 0 0 6 5 0 4 S t u d y o n o pt i m i z a t i o n o f s t o pe s t r u c t u r e p a r a me t e r s d u e t o d i s a s t r o u s c o mpl e x g r o u p o f m i n e d a r e a i n d e e p m i ni n g TANG S ha o h ui ， HUANG Yi ng h ua， PAN Yi Ch a n g s h a I n s t i t u t e o f M i n i n g Re s e a r c h，S a f e t y e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c h c e n t e r o f No n - c o a l mi n e ，Ch a n g s h a 4 1 0 0 1 2， Ch i n a Ab s t r a c t Th e o c c u r r e n c e o f o r e b o d y i s s u p e r p o s i t i o n i n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n ，e a c h o t h e r b e t we e n t h e c l os e，e ve n l i n ks i n t he s a me pl ac e i n To ng ke n o r e a r e a ．No wa d a ys，o r e a r e a ha s f o r me d t he c o m p l e x i nt e r pl a y of e x pl oi t a t i o n pa t t e r n du e t O t he m u l t i - l a y e r e d or e b od y mi ni ng r e p e t i t i o n a n d wor ki ng i n t he mul t i - c e n t e r s e c t i on s a t t he s a me t i me ． Af t e r mo r e t ha n 3 0 ye a r s l a r ge s c a l e m i n i n g，o r e a r e a ha s a c c u mul a t e d mi l l i o ns o f c u bi c me t e r s of mi n e d o ut a r e a，l e a d t O t h e mi ni ng o f t e c hn i c a l di f f i c ul t y a n d gr o un d pr e s s ur e c on t r o l i s e xt r e me l y c o mpl ex ． Ba s e o n r e s e a r c h o f t he r o c k ma s s e ngi ne e r i ng ge o l o gy c o ndi t i on t O mi n e，t hi s pa p e r h a s p r o p o s e d t h e r e a s o n a b l e s t r u c t u r a l p a r a me t e r t O 9 2 o r e b o d y s t o p e b y c a r r y i n g o n c o m p u t a t i o n t o t h e s t a bi l i t y of p i l l a r a nd i nt e r me di a t e pi l l a r，ma ki ng u s e of nuc l e a r ar e a t h e o r y o f s t r e n gt h a nd t he Bi e ni a ws k i i n t e ns i t y f o r mu l a，a nd a n a l y s i s t he s a f e t y t hi c kne s s of t o p pi l l a r b y u s i n g e l a s t i c me c ha n i c a l t he o r y o f s ma l l di s t or t i on t hi n s t e e l p l a t e，an d t he c onc l us i o ns ha v e a l s o s u ppl i e d t e c hni c a l e vi de nc e f or t he s a f e t y c ont r o l l i n g t h e or e b ody 9 2 mi ni ng ． Ke y wor d sgr oup of mi ne d a r e a；de e p mi ni n g；gr ou nd p r e s s u r e c on t r o l ；op t i mi z a t i on of p a r a me t e r s 铜坑 锡 矿 是 大 厂 矿 田 的大 型 地 下 矿 山 ，是 华 锡集团公司 的主要矿 山。铜 坑矿 区 内，多个 矿体 在 垂直方 向上呈 重 叠 状 产 出 ，彼 此 之 问相 隔较 近 ， 甚至连在一起 ，由于 多层 矿体 的重 复采动和多个 中段 的同 时 作 业 ，形 成 了 相 互 影 响 的 复 杂 开 采 格 局。上部急倾斜的细脉带和中部似层状的 9 1 矿体 消耗殆尽 ，9 2 矿体 已成为开采 的主矿体 ，在非重 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 1 2 作者简介 唐绍辉 1 9 6 5 一 ，男 ，教授级 高级工程 师 ，主要 从事 矿山岩石力学、岩层控制 和矿 山安全工程方面 的研究工作 。 叠区采用 留连续矿柱空场法 ，在重叠 区采用组合 式崩落法 ，目前已开采了 4 O多个采场。 经过 3 O多年的大规模开采 ，铜坑矿 已积累了 数百万立方米 的采 空区 ，开采 技术难度 大，地压 控制极其复杂。9 2 矿体开采过程 中，已呈现出明 显 的地 压现 象 ，盘 区 间 矿 柱 、房 间 柱 地 压 显 现 明 显 ，矿柱出现明显的压裂现象 。根据 9 2 矿体的开 采技术条件和采矿方法 特点，提 出了通过优化采 场结构参数控制地压活动 ，确保 9 2 矿体安全开采 的技术思路。在 矿山岩体工程地 质条件研究 的基 础上 ，采用核区强度理论、B i e n i a ws k i 强度公式进 中 国 矿 业 第1 8 卷 行 了采场矿 柱 、间 柱 的稳 定 性 计 算 ，基 于 弹 性 力 学小 变形 薄 板 理 论 方 法 分 析 了顶 柱 安 全 厚 度 ，提 出了 9 2 矿体采 场合 理 的结构 参数 ，同时也 为 同类 型矿山的采场结构参数设计提供 了理论依据 。 1 矿 山概况 铜坑锡 矿 主要 的开 采 对 象 是 大 厂 矿 田长 坡 区 锡石 一硫化 物 多 金 属 矿 床 ，属 高 一 中温 热 液 充 填 矿床。矿床位于大厂背斜平缓东翼之次一级 横 向 背斜轴部和翼部，而矿床则赋存 于泥盆 系上 统榴 江组地层中。矿床包含三个 主要矿体 ，即上 部为 急倾 斜 的 细 脉 带 矿 体 ，赋 存 在 7 0 0 ～ 4 5 5 m 水 平 ； 中部为似层状缓倾斜 的 9 1 矿体和下部似层状缓倾 斜 的 9 2 矿 体 ，赋 存 在 5 7 0 ～ 2 5 5 m 水 平 之 间 ，矿 床水 平分 布面积 约 l k m。 。 9 2 矿体与 9 l 矿体重叠 区用组合式崩 落法， 矿体划分为矿房和矿柱 ，矿房宽度为 2 0 2 5 m，长 度 7 0 ～8 0 m，矿 柱 宽 度 1 2 ～ 1 5 m，预 留 5 ～8 m 的 顶柱 。先用 空 场 法 回采 矿 房 ，再 滞 后 约 两 个 矿 房 宽度崩落间柱 、端柱和顶柱 ，在区域 内实现 组合 式崩 落连续 回采 。9 2 矿 体边 部 的非 重 叠 区域 用 留 连续矿柱空场法 开采，将矿体 划分为盘 区，一个 盘 区宽度为 9 O ～ l O O m，在 盘 区 内再 划 分为 矿 房 和 矿柱 。盘 区矿 柱 宽度 为 2 0 m 左 右 ， 留作 永 久 性 矿 柱 。盘 区内划 分 为 矿 房 和 矿 柱 ，采 用 大 矿 房 窄 矿 柱 的布置 方式 ，矿房 宽 度 为 2 5 m 左 右 ，矿 柱 宽 度 1 3 ～1 5 m 左右 。先采矿 房后 采矿 柱 ，矿 柱约 滞 2 ～ 3个矿房 回采 ，低品位贫矿和夹石为主的矿柱 留作 永久 性矿柱 不再 回采 。 截至 2 0 0 7 年 8月，铜坑矿开采三大矿体历年来 形成开采空区总体积达 6 1 0万 n 1 3 ，未处理空区量总 计 4 5 万 r n 3 。其中，9 2 矿体采空区 2 2 0万 m。 ， 大部分 已崩落处理 ，未处 理空区量 1 8 万 m 。 。 2 岩体质 量评 价与 力学 参数 分析 为优化 9 2 矿体的采场结构参数 ，对 9 2 矿体 及周边岩体 的工程地质 、水文地质条件及 岩体力 学特性进行详细的分析。 2 ． 1 岩体 质量评 价 采用 RMR及 Q 系统分 级方 法 ，对 9 2 矿体 及 围岩的岩体质量进行 了评 价。根据现场 工程地质 调查和岩石力学参数试验成果 ，9 2 矿体及 围岩的 分级 结果 如表 1所示 。 表 1岩体 分级 结果表 R MR和 Q分类结果表明 9 2 矿体及 围岩的 质量为中等岩体一好岩体 。 2 ． 2 矿岩力学参数分析 Ho e k 、C a r r a n z a - T o r r e s 2 0 0 2 提 出了岩体 破坏 经验 准则 ， d l 一口 3 f m 6 s 1 1 、 ， 岩体的 m 、s 和 a可由 B i e n i a ws k i 的岩体分类 R MR值和计算的 m 值来确定 。根据不 同岩体的 m 、s 和a值 ，确定其岩体力学参数 。 根据 岩 体 质 量 评 价 结 果 和室 内 岩石 力 学 参 数 试验 成果 ，采 用 R o c l a b软件 进 行 计 算 ，选 取 的岩 体力 学参 数如 表 2 所 示 。 表 2岩体 介质 的力学参数 3 采 场稳定 性分析 及结构 参数 优化 以空场法采矿 为背景 的采空 区稳定性 状态 ， 是 由矿 柱 和 矿房 顶板 两个 基 本 要 素 共 同决 定 。 由 于 9 2 矿体开采过程中，留设盘区支撑矿柱作为永 久性矿 柱 ，用 连 续 矿 柱 来 支 撑 顶 板 和 隔离 大 面 积 的空 区 ，控制 灾 害 性 地 压 的产 生 ，这 就 要 求 在 开 采过 程 中 ，盘 区 间 留设 具 有 长 期 强 度 的 矿 柱 支 撑 采空 区顶 板 ，基 本 出发 点 是 盘 区矿 柱 和 顶 柱 要 有 足够 的尺 寸 ，它 取 决 于 地 质 条 件 、开 采 深 度 、矿 房尺寸、采场平面布置与空间布局等 。 3 ． 1 矿柱 稳定性 分 析 由于矿体开采 ，将 引起应力重新分 布和矿柱 第 1 1 期 唐绍辉等 灾 害性 复杂群空区深部开采采场结构参数优化研究 荷 载的增 加 ，如 果 矿 柱 中 的 应 力 状 态 高 于 原 岩 强 度 ，则矿 柱发 生破 裂 。 1 盘 区矿柱 稳定 性分 析 矿体 开采 后 ，上覆 岩体 重量 向矿柱 上 转移 ， 造成矿柱 中产 生应 力集 中，矿柱 的边缘部 分处 于 侧向无约束的单 向受力 。 一O 状态 ，产生破坏 而丧失 承 载 能 力 ，此 范 围称 为 屈 服 区 塑 性 区 ， 屈服 区 向内为 弹性 区 核 区 。大 量 研 究 表 明 欲 使矿柱保持稳定 ，矿柱须有 弹性核 区 的存在 。鉴 于采 区隔 离 矿 柱 的 长 度 大 于 其 宽 度 ， 因此 ，忽 略 矿柱在 长 度 方 向上 的 变 形 ，采 用 平 面 应 变 模 型 进 行 分析 。 根据极限平衡理论 ，结合莫尔 一库仑 Mo h r C o u l o mb 屈服 准则 ，能 有效 支撑 顶板 而 矿柱 本 身 又稳定的合理宽度为 a≥ 2 Y D 2 式 中 n 、Y、D一 矿柱 、屈 服 区 、核 区宽 度 ，m。 矿 柱 的屈服 区宽 度 由下式 计算 y一 l n f 1 1 3 z t g ＼ c ／ 式 中m 为采高 ，m；| 8 为屈服 区与核 区界面处的 侧 压系数 ；c 、 为矿 柱 内 聚力 MP a 、 内摩 擦 角 。 ；d为开采扰动因子 ，d一1 ． 5 ～3 ． 0 ； 为矿 柱 极 限抗 压 强度 ，MP a ，由下式 计算 m 一 叩 0 “C 4 式 中 为塑性 约束 系数 ，一般 1 3 3 ． O m。 2 采场矿柱稳定性分析 根据 9 2 矿体采用的采场结构参数 ，取矿房宽 度 为 1 8 ． 0 ～ 2 5 ． O m，矿 柱宽 度 为 1 3 ． 0 ～ 1 5 ． O m，采 高 分别 为 2 0 ． 0 ～ 5 0 ． O m 时 。采 用 B i e n i a ws k i 公 式 计算矿柱强度 ，按 面积和承载理论计算 矿柱平均 应力 ，计 算 的矿 柱安 全 系数如 图 1 所 示 。 妊 剞 6 O ．5 0 40 3 0 2 0 ．i O o0 1 图 1 采场参数与矿柱安全系数的关 系 当 选 取 B i e n i a ws k i 矿 柱 强 度公 式 进 行 矿 柱 设 计 时 ，如 果不 考虑 矿柱 的长期稳 定性 问题 ，即只考 虑矿柱生产期间的稳定性 ，B i e n i a ws k i 1 9 9 2年建 议取安全系数 k 一1 ． 5 作 为矿柱设计 的依据。计算 结果表 明 ① 随着 采场 高度 的增加 ，矿 柱 的安 全 系 数降低，根据 目前的采场结构参数和矿柱尺寸，矿 柱的安全 系数为 1 ． 2 ～ 1 ． 5 ，虽能 保持 临 时稳 定 ，但 不 能满足 矿柱 生产 期 间 的安全 要求 ；② 建议 采 场结 构参数为 矿房宽 1 8 ． O m，矿柱宽 大于 1 6 ． O m。 3 ． 2顶板 安全 厚度 分 析 重叠 区下的矿体 回采 ，由于矿体 上部直接或 间接地与 9 1 矿体采空后的充填体相连 ，由于充填 体力学性质较 差 ，自承能力较弱 。因此 ，重叠 区 下 的矿体回采 时，为 了保 证 回采 时 的安全 ，减少 矿 石 的损 失 贫 化 ，必 须 在 矿 体 顶 板 上 预 留 一 定 厚 度 的矿 层 或夹 石 。 因此 ，采 场 顶 板 岩 层 安 全 厚 度 ，是 回采重叠区下 9 2 矿体的基本依据。科学合 理 地确 定 顶板 岩层 安全 厚度 ，是 重叠 区下 9 2 矿 体 安 全 回采 的关键 因素 。 矿 山开 采 是 在 三 维 空 问 中 进 行 的 ，采 用 空 场 法开采 的矿体采 出后 ，悬 空顶板岩层 由周 围矿柱 支撑 ，并在矿房上方形成具 有某种边界 约束 的三 维 板状 结 构 。采 场 顶 板 稳 定 性 状 况 ，可 以 通 过 板 结 构 的强 度 计 算 进 行 分 析 。设 采 场 顶 板 宽 为 L 、 长 为 L 、厚度 为 h 、板 上 面作 用载 荷 集度 为 q 。根 据弹性理论 ，求得板中的最大主应力为 1 2 L L L 止 q 、 丌 。 E 3 L L 2 L 2 2 ] 。 I 1 2 L L； L 止； q 5 丌 [ 3 L L 2 L L ； ] I 一o l 根 据 H． T r e s c a 屈 服 准则 ，当顶 板 的危 险点 产 生剪切屈服时，该点的主应力满足下式 1 一 3 2 r o 6 将 式 5 代入 式 6 ，得 6 8 中 国 矿 业 第1 8 卷 6 L L； L ； 一L 1 一 q ， 全厚度应大于 2 2 ． 0 m。 ， - 一 l ，J 玎 [ 3 L t L 2 L 2 L 2 ] 4 结论 式 中 r 为 顶 板 岩层 中 的最 大 剪应 力 ，MP a ；H 为作 用 于 顶 板 的覆 岩 厚 度 ，m；h为 顶 板 岩 层 厚 度 ，m；’ ， 、 分别 是顶 板 岩层 的容 重 k g ／ m。 和 泊松比；L 、L 分别是研究 区域的宽和长 ，其 中 L 一M i n L ，L 。 将 q 一7 H 代入 式 7 ，可获 得 顶 板 承受 剪切 力 。将 所得值 与 顶板 岩体 的 抗 拉 强 度 和 抗 剪 强 度 进行 比较 ，如 果其 中某 项 达 到 或超 过 岩 体 强度 值 ， 顶板则 发生破 断 。因而 ，采 场顶 板断裂 判据 为 ma x { ， } L T 8 r ⋯ [ r ] 9 式 中 [ ] 、 [ r ]分别 为 岩体 的抗 拉 强度 和 抗 剪强 度 ，MP a 。 9 2 矿体顶板岩层为宽条带灰岩 、泥灰岩及部 分硅质岩，以宽条带灰岩为主，泥灰岩 的厚度 3 m 左 右 。顶 板岩层 上作 用 9 1 矿体 采完 充填后 的充填 体 ，充填体厚度 H一1 0 0 m。充填体平均容 重 ， 一 2 1 ． 5 k N／ m。 。矿房 顶 板 上 覆 宽 条 带 灰 岩 抗 拉 强 度 T 一2 ． 0 5 MP a ，抗剪 强度 r 一1 4 ． 0 1 MP a ，泊 松 比 为 0 ． 3 1 。矿房宽 度 b 一 1 8 ． 0 m，计算 结 果 表 明 ① 矿房顶 板 的有 效 支 撑厚 度 为 l 1 ． 6 m 时 ，顶 板 中 产 生 的最 大 主应 力 拉应 力 正 好 等 于 宽 条 带 灰 岩 抗拉强度 一2 ． 0 5 MP a 。重叠 区下矿 体 回采 时， 所 留设 的 1 2 ． 0 ～ 1 5 ． 0 m 顶 板 厚 度 是 合 理 的 。② 当 9 1 矿体 中的采空区跨通至地表时，9 2 矿房顶板 以上 的 充 填 废 石 高 度 约 为 3 5 0 m，如 顶 板 厚 度 为 1 5 ． 0 m，矿房 顶 板 中产 生 的最 大 主 应力 拉 应 力 为 4 ． 3 1 MP a ，大 于 宽 条 带 灰 岩 的 抗 拉 强 度 ，单 个 采场顶 板会 产 生 破 坏 。此 时 ，矿 房 顶 板 的最 小 安 1 铜 坑 矿 细 脉 带 、9 1 和 9 2 三 个 主 要 矿 体呈立体重叠分布 ，开采相互影响。为了确保 9 2 矿体开 采 期 问 采 场 的 稳 定 ，有 效 控 制 地 压 活 动 ， 必须调 整 9 2 矿 体采 场结 构参数 。 2 矿 山原 设 计规 划 的盘 区隔离 矿 柱 和 房 间 柱，均不能满足稳定性要求 ，建议 9 2 矿体盘 区隔 离矿柱 宽度 大 于 3 3 ． 0 ． 0 m，矿房 宽 1 8 ． 0 m，矿柱宽 1 6 ． 0 m 。 3 重叠区下矿体 回采 留设 的 1 2 ． 0 ～1 5 ． 0 m 顶板厚 度 是 合 理 的 ，矿 房 顶 板 中产 生 的最 大 主应 力小于宽条带灰岩 的抗拉 强度 ，最大剪应力小 于 宽条带灰岩 的抗剪强度 ，不会产生剪 切破坏 。但 当 9 1 矿 体 中的采 空区跨 通至地 表 时 ，矿 房顶 板 的 最小安 全厚 度应 大于 2 2 ． 0 m。 _ 参考文献 [1 ] 蔡美峰 ，何 满潮 ，刘 东燕．岩石力 学与工 程 [ M] ．北 京 科学出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2] 杜子建 ，高永涛 ，窦金龙 ，等．矿山深部 开采顶板稳定模拟 研究 I_ J ] ．中国矿业 ， 2 0 0 8 ，3_ 7 2 ． [3 ] [ 澳]B ．H．G．布雷迪 ，[ 英]E ． T ． 布朗． 地下采矿 岩石力学 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ，1 9 9 0 ． [4 ] 培言 ，等．空场采矿法采 场顶板破 坏模式识别 专家系统 [ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 2 ，1 1 1 1 5 7 1 6 1 ． [5 ] 李江腾．硬岩矿柱失稳 及时 间相依性 研究 [ D] ． [ 博 士论 文] ．长沙 中南 大学 ，2 0 0 5 [6 ] 李俊平 ，冯长根 ，郭新亚 ，等．矿柱参数计算研究 E J I ．北 京理工大学学报 ，2 0 0 2 ， 2 2 5 6 6 2 6 6 4 ． [7 ] 何 国清 ，杨伦 ，等．矿 山开采沉陷学[ g1 ．徐州 中国 矿业大学 出版社 ，1 9 9 1 ． [8 ] 陈何 ，等．铜 坑矿细脉带 矿体特大 事故隐患 区治理方案 的研究 r J _ ． 中国矿、 【 ，2 0 0 8 ，l 7 3 l 0 0 1 0 6 ． 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 上接 第 4 7页 标和措施所作 的具体规定 ，是一种带有指令性 的 生态环境 保 护 方 案 。其 目的 是 在 进 行 矿 业 开 发 、 促 进本 区域社 会 经济 发 展 的 同时 ，保 护 生态 环 境 ， 使煤炭 资源 开 发 与 社 会 、经 济 、生 态 环 境 协 调 发 展 。其 主要 内容 有 煤 炭 开 发 的生 态 环 境 调 查 与 评价 、煤炭开 发 的 生 态 环 境 预 测 、煤 炭 开 发 的 生 态环境 功 能 区 划 、煤 炭 开 发 生 态 环 境 规 划 目标 、 煤炭开发生态环境规划方 案的设计、煤炭开发 生 态环境规划方案 的选择和实施生态环境规划 的支 持与保证等。 总之，煤炭资源型城市在生态城 市化 的建设 过程中，城市经济发展 战略思想必须从传统 的城 市 发展 战 略 ，转 向城 市 经 济 社 会 与 生 态 环 境 协 调 发展的战略。必须优化经济 、社会 、生态 三大效 益 ，统筹 矿 区建 设 、城 乡 建 设 和 环 境 建 设 。实施 基于循 环 经 济 的煤 炭 资 源 型 城 市 开 发 模 式 ，完 善 矿 区生态 环 境 管 理 与规 划 制 度 ，建 立 健 全 以实 施 以清 洁生 产为核 心 的技术 体 系 。 _ 参考文献 [1 ] 何华兵． 中国煤炭企业循环经 济发展模式 探析 [ J ] ． 中国 矿 业 ，2 0 0 6， 5 ． [2 ] 梁铁 山，杜水峰．煤炭企业 发展循环 经济与实施 多元化经 营战略 [ J 1 ．煤炭经济管理新论 第 6 辑 ，第七届 中国煤 炭经济管理论坛 ，2 0 0 6 ． [3 ] 耿殿 明，等．矿区可持续发展的战略模式与实现途径 厂 J ] ． 中国煤炭 ，2 0 0 5 ， 1 ． [4 ] 王志宏 ，何志强．矿区生态环境可 持续发展结 构模式探讨 [ J ] ．资源科学 ，2 0 0 5 ， 1 ．