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崩落法转充填法隔离层安全厚度的确定 ① 曾令义，潘冬（长沙矿山研究院有限责任公司国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙４１００１２）摘要以广东信宜银岩锡矿崩落法转充填法为例，采用厚跨比法、简化梁法和普氏压力拱法，对隔离层最小安全厚度进行了理论研究，并通过数值模拟手段，对所选的最小隔离厚度进行了验证，研究结果对于确保矿山井下安全生产具有重要意义。关键词隔离层安全厚度；厚跨比法；简化梁法；普氏压力拱法；数值模拟中图分类号ＴＤ３２文献标识码Ａｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０４．００５文章编号０２５３－６０９９（２０１５）０４－００１７－０４ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＳａｆｅｔｙＴｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＩｓｏｌａｔｉｏｎＬａｙｅｒｄｕｒｉｎｇＴｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍＣａｖｉｎｇｔｏＣｕｔ⁃ａｎｄ⁃ＦｉｌｌＳｔｏｐｉｎｇＺＥＮＧＬｉｎｇ⁃ｙｉ，ＰＡＮＤｏｎｇ（ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭｅｔａｌｓＭｉｎｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｏＬｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００１２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎＹｉｎｙａｎＴｉｎＭｉｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆｃａｖｉｎｇｔｏｃｕｔ⁃ａｎｄ⁃ｆｉｌｌｓｔｏｐｉｎｇ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｔｕｄｙｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｓａｆｅｔｙｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｓｏｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒｂｙｕｓｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ⁃ｔｏ⁃ｓｐａｎｒａｔｉｏ，ｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄＴｉｍｏｓｈｅｎｋｏｂｅａｍｔｈｅｏｒｙａｎｄＰｒｏｔｏｄｙａｋｏｎｏｖ′ｓｔｈｅｏｒｙ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｓｏｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓａｆｅｔｙｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｉｓｏｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ⁃ｔｏ⁃ｓｐａｎｒａｔｉｏ；ｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄＴｉｍｏｓｈｅｎｋｏｂｅａｍｔｈｅｏｒｙ；Ｐｒｏｔｏｄｙａｋｏｎｏｖ′ｓｔｈｅｏｒｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ对于生产过程中采矿方法转型的矿山，新采用的采矿方法主要受到两方面的影响一是原有采空区对新采矿工艺的影响；二是两种不同采矿工艺之间也存在着相互影响。为避免这些不利影响，需预留一定厚度的岩体作为隔离层来保障矿山的安全生产［１－３］。广东信宜银岩锡矿山原设计采用无底柱分段崩落法采矿，由于顶板围岩完整稳固，矿石回采后顶板无法自然崩落，没有形成覆盖层，矿山投产到目前为止已形成大约２２１０４ｍ３的采空区未处理，这给后续采矿留下了极大的安全隐患。为保证下部矿体的安全回采，生产时需在原崩落法开采形成的空区和现充填开采区域间留设一定厚度的隔离层，见图１。１矿山开采现状及背景广东信宜银岩锡矿是广东省最大的锡矿，矿区位于信宜市正东方向直距３６ｋｍ，斑岩型锡矿共圈出矿体６５个，其中锡矿体５３个，钨锡钼综合矿体５个，钼矿体７个。６号矿体为区内最大的矿体，其储量占全区储量的８９％。本区矿石主要为原生矿石，工业类型主要为锡矿石、钨锡钼矿石、钼矿石，以锡矿石为主。矿岩普氏硬度系数ｆ＝８～１２。矿山于２００７年上半年完成基建，进入投产期。目前已形成９００ｍ主平硐、９５０ｍ平硐、１０２５ｍ平硐以及１０６０ｍ平硐；９００ｍ以上中段开拓工程已基本完成。矿区现有坑道工程地质条件较好，矿体、围岩均坚硬，完整，坑道绝大部分地段不需要支护。目前矿山保有设计利用储量１４２７．７１０４ｔ，平均品位Ｓｎ０．５３％。生产能力９９１０４ｔ／ａ（３０００ｔ／ｄ），矿山服务年限约１６年。２０１０年９月，“凡亚比”台风带来的强降雨导致银岩锡矿尾矿库发生溃坝，致使矿山停产。目前事故善后处理已基本结束，开始着手矿山的复产工作。根据矿山复产初步规划，拟将矿山生产的大部分尾矿用于井下充填，采矿方法由崩落法改为充填法，尾矿总产量为８５６１０４ｍ３，其中５７．８％的尾矿（４９５１０４ｍ３）充填至井下，４２．２％的尾矿（３６１１０４ｍ３）排入尾矿库，拟新建的尾矿库库容将大大减小，能满足矿山的生产服务年限。 ①收稿日期２０１５－０２－２８作者简介曾令义（１９８３－），男，湖南郴州人，硕士，主要从事采矿及井巷工程等方面的设计研究工作。第３５卷第４期２０１５年０８月矿矿冶冶工工程程ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．３５ №４Ａｕｇｕｓｔ２０１５图１矿体开采剖面图２隔离层安全厚度计算影响隔离层厚度的主要因素是安全和经济。所留的隔离层厚度过大，会使矿山质押大量矿量，前期回收率相对降低；若隔离层厚度不够，受到上部空区冒落产生的冲击扰动，会导致隔离层发生破坏，严重影响下部的回采作业。影响隔离层安全厚度的因素有很多。隔离层本身的破碎程度，采空区的面积、空间位置，以及与周边矿柱的联系等都会影响到隔离矿柱安全厚度的确定。考虑到采用单一的分析方法可能会造成较大偏差，本文采用厚跨比法、简化梁法和普氏压力拱法对隔离层的稳定性进行研究，确定合理的安全隔离层厚度，为充填采矿法安全高效实施提供理论支持。２．１厚跨比法厚跨比法［４－５］考虑两个关键因素，一是采空区的水平跨度Ｗ，二是隔离层的最薄处厚度Ｈ。根据厚跨比理论，不考虑顶板形态、荷载大小和性质，要求安全隔离层厚度与采空区的跨度之比（Ｈ／Ｗ）不小于０．５。因矩形硐稳定性较拱形硐差，通常将Ｈ／Ｗ作为估算隔离层安全厚度的最小值。引入安全系数Ｋ，其计算公式为ＨＫＷ ≥ ０．５（１）式中Ｈ为隔离层最薄处厚度，ｍ；Ｗ为采空区水平跨度，ｍ；Ｋ为安全系数。安全系数Ｋ与隔离层岩石的力学性质有关，通常取为Ｋ＝１．１５～１．３０。考虑其他因素对隔离层稳定性的影响，为保障矿山安全生产，取安全系数Ｋ＝１．５～２．０。根据银岩锡矿采场跨度１５ｍ，可计算出安全隔离层厚度为１１．２５～１５ｍ。２．２结构力学简化梁法对于空区上部的安全隔离层，按照前苏联某学者的理论［６－８］，可将其简化为两端固定的厚梁，依此力学模型，可得到隔离层最小安全厚度Ｈ的计算公式为Ｈ＝０．２５ｌｎ γｌｎ＋γｌｎ２＋８ｂσ许ｂσ许（２）式中Ｈ为隔离层最小安全厚度，ｍ；γ 为上覆矿岩重度，γ＝３２ｋＮ／ｍ３；Ｉｎ为采场跨度，设计中为１５ｍ；ｂ为梁宽，取１ｍ；σ许为允许拉应力，ｋＰａ，顶板允许的应力为 σ许≤ σ极ＫＫｃ（３）式中Ｋ为安全系数，可取１．５～３．０；Ｋｃ为结构削弱系数；σ极为极限抗拉强度，取４４００ｋＰａ。Ｋｃ值取决于隔离层岩石的坚固性、裂隙发育情况以及软弱夹层等因素。银岩锡矿山隔离层上部采用无底柱分段崩落爆破法回采，落矿时会导致隔离层产生附加应力，并使其裂隙发育，这将大大削弱隔离层岩体强度。故Ｋｃ通常取较大值７～１０。取安全系数Ｋ＝２，得顶板允许的应力为２００ｋＰａ。代入式（２），通过结构力学简化梁法计算得到的顶板安全层最小隔离厚度为１８ｍ。２．３普氏压力拱法普氏地压理论［９－１０］认为，巷道或采空区形成后，顶８１矿冶工程第３５卷板将形成压力拱带。按照岩性，压力拱带又分为以下３种形式１）自然拱适用于顶部受竖直压力、侧帮不受压的坚硬岩体。２）压力拱适用于顶部及侧帮有受压较松软岩体。３）破裂拱适用于松散性岩层，松散岩石的内摩擦角等于采空区侧壁崩落后的滑动面与水平面的交角。为安全考虑，按松散性岩层计算拱高Ｈ＝０．５ｂ＋ｈｔａｎ（９０－ φ）ｆ（４）式中ｂ为采空区宽度，为１５ｍ；ｈ为采空区高度，为１５ｍ；φ 为岩体内摩擦角，３５；ｆ为岩体硬度系数。可采用如下经验公式计算岩体的硬度系数ｆ＝Ｒｃ１０（５）式中Ｒｃ为岩体的单轴抗压强度，ＭＰａ。银岩锡矿矿体主要含锡，矿体本身及围岩（花岗岩）的抗压强度约７６．５～８７．８ＭＰａ，取平均值，Ｒｃ＝８２ＭＰａ，得ｆ＝８．２。根据国内外已有的经验，采用工程类比法确定自然平衡拱高之上岩层的厚度，通常取顶板最小安全厚度为自然平衡拱高的３～４倍。这里取最小安全厚度为压力拱拱高的４倍。由普氏压力拱法计算最小安全厚度为１４．３ｍ。３数值模拟验证矿山经过长期崩落法开采，井下１０６０ｍ和１０４２ｍ中段形成众多采空区，采空区面积、位置、形状均不相同，岩层破碎程度不一，这些因素导致了隔离层周围环境复杂。因此，这里隔离层的厚度取前文中３种理论计算得出的最大值１８ｍ，采用ＦＬＡＣ３Ｄ对重点区域应力分布状况进行稳定性分析计算，验证最小隔离层厚度的可靠性。模型建立中，需要将矿石和围岩设置为不同的组（Ｇｒｏｕｐ），分别赋予不同的物理力学参数，见表１。表１岩体物理力学参数名称抗拉强度／ＭＰａ抗剪强度／ＭＰａ弹性模量／ＭＰａ内聚力／ＭＰａ泊松比内摩擦角／（）体重／（ｔｍ－３）矿石２．２１１．９６２８．６３０．１８２３５２．７８围岩２．４１２．１６４８．６３０．１８２３５２．７６岩体的多次开挖相当于多次加卸载。本次数值分析采用摩尔⁃库仑本构模型，考虑到模拟过程中岩体存在塑性屈服，岩体中不同的开挖顺序和步骤将对应不同的应力状态。多次开挖使得原岩应力发生了释放及重新分布，围岩应力状态随之发生改变，如图２～３所示。图２开挖前最小主应力分布图图３开挖后最小主应力分布图通过数值分析可以看出，开挖前，空区周边的拉应力最大值达到１ＭＰａ，且分布范围较小；开挖后，采空区周边围岩由于卸载作用，拉应力有所降低，最大值接近于０．８ＭＰａ，但拉应力区域范围有所扩大，多数区域拉应力在０．３ＭＰａ以下，均小于围岩和矿体的抗拉强度，说明隔离层的厚度为１８ｍ能够满足当前的安全生产要求。图４为上部空区形成后预留隔离层１８ｍ情况下，因开采活动引起的地表位移分布图。从图４可以看出，最大地表位移发生在采区中心位置，其值接近１．５ｃｍ；远离采区中心的位置，位移值不断减小。地表位移整体上不是很大，可以保证采区的安全生产。图４开采后地表位移分布图９１第４期曾令义等崩落法转充填法隔离层安全厚度的确定４结论预留隔离层厚度１８ｍ情况下，采用阶段空场嗣后充填采矿法回采后，周边围岩应力变化和地表位移变化都在允许范围内，可见选取的隔离层厚度可确保下部生产安全。但隔离层会受到井下爆破作业的动力扰动，原形成的采空区可能存在冒落和塌陷的动力冲击，这些因素都有可能造成隔离层发生失稳。因此，为保障安全生产，建议矿山对上部空区先进行充填，再进行下部的回采作业。参考文献［１］阳雨平，谢选杰，郭民，等．基于ＡＨＰ和灰色关联ＴＯＰＳＩＳ的残矿回采方案优选［Ｊ］．矿冶工程，２０１５（１）１－５．［２］张光存，杨志强，高谦，等．矿用尾砂固结粉在铁矿山全尾砂现场充填试验研究［Ｊ］．矿冶工程，２０１４（３）１９－２２．［３］范文录，李夕兵，周子龙．基于可靠度理论的钢筋混凝土假顶强度确定与配筋设计研究［Ｊ］．矿冶工程，２０１３（４）３０－３５．［４］寇向宇，徐飞，褚洪涛，等．杨家湾崩落转充填法隔离层安全厚度研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１３，３３（５）５９－６２．［５］岩小明，李夕兵，李地元，等．露天开采地下矿室隔离层安全厚度的确定［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００６，２（４）６６６－６７１．［６］李地元，李夕兵，赵国彦．露天开采下地下采空区顶板安全厚度的确定［Ｊ］．露天采矿技术，２００５（５）１７－２０．［７］陆广，罗周全，刘晓明，等．露天转地下开采隔层厚度安全分析［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１１，２８（１）１３２－１３７．［８］田志恒，聂永祥．复杂采空区顶板最小安全厚度的确定方法［Ｊ］．采矿技术，２００９，９（５）２６－２８．［９］任高峰，王官宝，石栓虎，等．特大地下采空区稳定性评价及处理措施［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，２００５，２２（２）２２－２５．［１０］徐文彬，宋卫东，杜建华，等．崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析［Ｊ］．北京科技大学学报，２０１３，３５（４）４１５－４２２． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 （上接第１６页）［１１］ＴｈｅＦｒａｍｅｗｏｒｋＭｏｄｅｌｏｆＳｕｐｐｌｙ⁃ＣｈａｉｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎＣＡＬＳＥｎｖｉｒｏｎ⁃ ｍｅｎｔ［Ｊ］．厦门大学学报（自然科学版），２００２（Ｓ１）２７０－２７１．［１２］陈凯，张达，张元生．采空区三维激光扫描点云数据处理方法［Ｊ］．光学学报，２０１３，３６（８）１２５－１３０．［１３］过江，古德生，罗周全．金属矿山采空区３Ｄ激光探测新技术［Ｊ］．矿冶工程，２００６，２６（５）１６－１９．［１４］罗周全，李畅，刘晓明，等．金属矿床可视化建模及储量计算［Ｊ］．矿冶工程，２００９，２９（１）１０－１４．［１５］喜文飞，史正涛．一种新的点云数据组合精简算法研究［Ｊ］．科技通报，２０１４，３１（３）１５３－１５６．［１６］李晋江，张彩明，范辉．群体智能点云光顺去噪算法［Ｊ］．计算机集成制造系统，２０１１，１７（５）９３５－９４５． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃 􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀥃􀧃 􀧃 􀧃 􀧃 矿冶工程杂志２０１６年征订启事矿冶工程（双月刊）由中国金属学会、长沙矿冶研究院有限责任公司主办，面向国内外公开发行。本刊是中国期刊方阵“双效期刊”、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库（ＣＳＣＤ）及中国学术期刊综合评价数据库来源期刊、中国核心学术期刊（ＲＣＣＳＥ），是集学术性和技术性于一体的综合性刊物，已被中国知网（ＣＮＫＩ）、万方数据库、重庆维普资讯、台湾华艺数据库等全文收录，是国外多家知名检索机构的检索对象。矿冶工程读者对象是采矿、选矿、冶金、材料、地质、化工等系统的有关生产人员、院校师生和管理人员。主要栏目为采矿、选矿、冶金、材料、矿冶行业企业管理等，内容新颖，是开拓、激发创造力的良师益友。矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务，欢迎各企事业单位来电来函联络。矿冶工程真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊，也可直接向编辑部订阅。邮发代号４２－５８，大１６Ｋ，定价２０元，全年１２０元。地址湖南省长沙市麓山南路９６６号联系人黄小芳邮编４１００１２开户名称矿冶工程杂志（长沙）有限公司电话（０７３１）８８６５７０７０／８８６５７１７６／８８６５７１７３开户银行工商银行长沙左家垅支行传真（０７３１）８８６５７１８６帐号１９０１０１３００９２０１０９５５０２Ｅ－ｍａｉｌｋｕａｎｇｙｅｇｏｎｇｃｈｅｎｇｚｚ＠１６３．ｃｏｍ０２矿冶工程第３５卷