获各琦铜矿采场顶板次生应力与位移特征

2019-12-23蔡曙光

采矿技术 2019年6期

蔡曙光

获各琦铜矿采场顶板次生应力与位移特征

蔡曙光

(巴彦淖尔西部铜业有限公司，内蒙古巴彦淖尔市 015000)

通过对上向水平充填法采场顶板进行竖直方向应力、位移进行监测，分析了采场顶板竖直方向次生应力与竖直位移特征，研究结果表明：随着采场跨度的增大，采场顶板产生离层现象的范围与竖直方向次生应力下降的幅度呈现增大的趋势。对于跨度为50 m采场，在距采场顶板11 m以下的矿体产生离层现象可能性大，而对于跨度为10 m采场，在距采场顶板4 m以下的矿体产生离层现象可能性大。研究成果可为采场顶板支护设计提供重要现场依据。

获各琦铜矿;上向水平充填法;顶板离层;监测

0 引言

充填法由于其矿石损失率低，作业相对安全，能够较好的保护环境，其应用的比例呈逐年上升的趋势。上向水平充填法作为充填法的一种，国内外学者围绕上向水平充填法开展了相对广泛的研究[1-6]。王伟[1]等以数值模拟为手段，研究了司家营矿区采用上向水平充填法时地表变形的规律。罗瑞[6]等采用Mathew稳定图法分析了上向水平充填法最大安全跨度。杨悦憎[3]、张雯[4]、钟杰[5]、占飞[6]等研究了充填体作用机理与采场稳定性问题。成德新[7]探索了上向水平充填法充填工艺改进方法。顾生春[8]等探索了上向水平分层充填法在哈图金矿的应用。彭青生[9]与笔者[10]分析了获各琦铜矿上向水平充填法采场顶板冒落的原因与分段高度。

在上向水平充填法中，采场顶板的稳定性在一定程度上决定了生产安全。本文以获各琦铜矿上向水平充填法采场顶板为研究对象，以现场竖直应力、位移监测为研究手段，对比分析不同采场跨度条件下，采场顶板竖直方向次生应力与位移的特征。在此基础上，提出了基于现场监测的采场顶板采场发生离层的范围。研究成果可为矿山采场顶板支护提供现场依据，同时也可为类似矿山采场结构参数设计、优化提供参考。

1 采矿方法简介

获各琦铜矿主要采用上向水平分层充填采矿法进行开采，中段高60 m，分段高10 m，分层高3.3 m。中段开采顺序为中央向两翼前进式开采。对于顶板较好的采用整体上采，采场跨度为50 m。相应的对于顶板稳定性差的采用10 m小跨度两步骤进行回采。其中，首分层采用灰砂比为1׃4的充填体整体充填，其他分层采用1׃4、1׃8与1׃12充填体交替充填，充填高度分别为0.5，0.5 m与2.3 m（见图1）。

图1 非首充层充填

2 采场地压监测

2.1 监测方式

本文采用GZY20型应变式钻孔应力计与YUD300矿用本安顶板离层监测仪，用于采集矿体回采过程中顶板位移与应力数据。其中，GZY20型应变式钻孔应力计用于采集回采过程中，矿岩竖起方向次生应力值。YUD300矿用本安顶板离层监测仪有深、浅2个监测基点，它们均可采集不同深度矿岩绝对位移值。如果2个位移传感器在同一时间采集的数值不同，则两数值的差值则为两传感器沿钻孔方向离层值。

2.2 测点布置

本文选取采场跨度为分别为50 m与10 m的采场为研究对象，用于对比分析不同采场跨度条件下采场顶板位移与应力变化特征。GZY20型应变式钻孔应力计与YUD300矿用本安顶板离层监测仪均布置于充填回风巷中。其中，用于安装GZY20型应变式钻孔应力计的水平钻孔孔径为45 mm，孔深为5 m。用于安装YUD300矿用本安顶板离层监测仪的竖直钻孔孔径为80 mm，孔深为5 m。其中，深基点安装于孔底，浅基点安装于距深基点2.5 m处。测点安装布置见图2。

图2 测点安装布置

3 结果分析

选择52011采场与520031-3采场为研究对象，以上两采场位于1520 m中段。其中，52011采场跨度50 m，顶板暴露面积约754 m2。520031-3采场跨度10 m，顶板暴露面积约287 m2。

图3给出了52011采场顶板离层仪深基点与浅基点位移曲线。从图3可看出：52011采场自2018年1月20日采场顶板距深基点的距离由11 m减小为8 m。自2018年1月25日深基点位移值由2.18 mm缓慢增长至2018年2月2日2.33 mm；之后，快速增长至2018年2月12日4.97 mm。与此相对应，浅基点于2018年2月10日0.004 mm增长至2018年2月11日位移1.97 mm。

由图3可知，下覆矿体开挖后，深基点响应时

图3 52011采场顶板位移曲线

间早于浅基点。同时，深基点位移显著增长历时为10 d，大于浅基点位移显著增长2 d。由于下覆矿体开挖后，深基点位移增量大于浅基点位移增量。结合深、浅基点距顶板距离可知：在距采场顶板8 m与11 m之间岩体已发生离层现象，其位移值约为0.67 mm。通过浅基点位移在2018年2月10之前，其位移数值近似为0，说明对于类似于52011跨度为50 m的采场，下覆矿体开挖后，其扰动范围距采场顶板高度应大于8 m但小于11 m。

图4给出了520031-3采场板离层仪深基点与浅基点位移曲线。从图4可看出：采场顶板离深基点为5.0 m时，深、浅基点位移值基本相等，位移值约为1.0 mm。采场顶板离深基点为11 m时，深基点出现2次相对明显的增长，其中2017年12月30日至2018年1月6日历时6 d，位移由1.0 mm增大为3.0 mm。而后，其数值增至3.97 mm，位移增量约2.97 mm。对浅基点而言，2018年1月4日至2018年1月6日历时2 d位移由1.0 mm增大为2.0 mm，位移增量约1.00 mm。当顶板距深基点为2 m时，此时，深基点标高低于顶板标高。深基点在2018年2月7日至2018年2月6日，位移值由3.97 mm增大至6.02 mm；对浅基点而言，2018年2月10至2018年2月12历时2 d，位移值由2.00 mm增至3.97 mm，随后在2018年3月17日再次增长至5.12 mm。

图4 520031-3采场顶板位移曲线

由图4可知，对于类似520031-3采场跨度为10 m的采场，下覆矿体开挖后，距采场顶板5~8 m会产生一定的位移，但产生层离现象可能性小，产生层离的范围应在1~4 m，并且位移增长历时随着距顶板距离的减小而增大。

从图5~图6可以看出：下覆矿体开挖后是一下时间范围内，竖直次生应力存在一相对明显增大过程，随后其数值随时间的增大而减小。其中，52011采场在2018年1月25日至2018年1月31日，其数值从1.59 MPa增大为1.90 MPa。520031-3采场在2018年2月3日至2018年2月5日，其数值从0.54 MPa增大为0.6 MPa。其原因一方面在于矿体开挖后应力重新分布的影响。另一方面，根据顶板离层仪监测结果可知：下覆矿体开挖后，在应力监测点下方矿体将产生一定量的竖直向下的位移，从而导致应力计受力减小。从应力下降幅度来看，即使52011采场应力监测点距采场顶板的距离大于520031-3采场，其对应的应力下降幅度也大于520031-3采场。