叶云杰

（中条山有色金属集团公司健康安全环保部， 山西 中条山 043700）

深井开采为未来资源开采的趋势。对于深井开采而言，其最为显著的特征为环境呈现“三高一扰动”的情况。“三高”指的是生产环境的高地应力、高低温以及高岩溶水；“一强”指的是开采扰动较为强烈。在“三高一强”的环境下开不仅会增加矿体的开采成本，而且在高应力环境下对应的开采难度也较大，开采效率也偏低[1]。因此，针对深部矿体的开采需要设计合理、有效、可行的开采技术，重点解决“三高一强”所面临的实际问题。本文重点对深部矿体卸压安全开采的技术进行研究。

1 工程概况

本文所研究矿体的埋藏深度位于地下的500～700 m 之间。矿体所在工作面的长度为1 250 m，工作面的倾角范围为25°～55°，平均倾角为45°；矿体的厚度范围为4～38 m，矿体的平均厚度为12.74 m。该工作面矿体的资源主要呈现为块状，主要包含有铅矿、黄铁矿和黄铁铅锌矿。经探测，该工作面矿体的含硫比例偏高，最高可达42.5%。该工作面矿体顶底板岩层的力学参数如表1 所示。

表1 矿体工作面顶底板岩层力学参数

经探测，矿体所属工作面的最大涌水量可达315 m3/h，在正常情况下的涌水量为210 m3/h；瓦斯绝对涌出量为0。瓦斯的相对涌出量为0，属于低瓦斯矿井。

2 深部矿体采矿方案的确定

结合矿体工作面的实际地质条件和矿体的特性。整个工作面矿岩相对稳定，各个岩层之间的应力以构造应力为主。经探测，岩层的温度最高可达42 ℃，而且随着现场温度的升高极易导致现场矿体出现结块的现象，甚至会出现矿体的自燃现象[2]。因此，为保证矿体的高效、安全开采，所设计的采矿方案必须遵循如下原则：

1）所设计的采矿方法可有效对工作面顶部和两帮围岩变形及应力的控制，可有效预防地表的沉降问题。

2）要求采矿区暴露的面积和暴露的时间应尽可能的少。

3）所设计的采矿方法应在贫化率和损失率两个方面进行有效控制，并尽可能的减少工作面同时作业的场数[3]。

2.1 采矿方案的初步确定

结合实践生产经验，可适用于该工作面矿体开采的方法共包括有六种，每种开采方案对应的相关的技术指标对比如表2 所示。

表2 不同采矿方案对应的技术指标对比

基于模糊数学理论对上述六种开采方案建立模糊关系矩阵和权矩阵，基于两个矩阵对不同采矿方案的综合优越度进行对比。经对比可知，不同采矿方案对应的优越度如下页表3 所示。

对比表3 中不同采矿方案的优越度，本工程可采用方案一，即盘区机械化高分层上向凿岩充填采矿法对矿体进行开采。

2.2 采矿方案的最终确定

对表3 中的数据进行细化分析，方案一和方案三的优越度远高于其他方案。因此，为了确保最终确定的采矿方案确实真正适用于该矿体的开采，能够获得最佳的开采效果。本节将通过数值模拟手段对方案一、方案三和方案四下对工作面顶板、底板以及充填体的稳定性进行对比分析。

表3 不同采矿方案对应优越度

首先，根据矿体所在工作面的地质、岩层等条件基于FLAC3D 软件建立三维数值模拟模型，并且根据仿真内容对三维模型所划分的单位数量为86 000个，节点数量为95 827 个[4]。

设定的边界条件如下：该矿体所承受的应力以构造应力为主。其中，构造的最大主垂直应力值为31.2 MPa，而对应的水平方向的最大主水平应力为：31.2 MPa/1.02=30.59 MPa。

将三维模型中的矿体、灰岩、胶结体和尾砂体的力学参数根据矿体所在工作面的力学参数进行一一设置。设置完成后开始仿真分析，并重点对矿体工作面顶底板的最大主应力和顶板位移量进行对比，仿真结果如表4 所示。

表4 不同采矿方案对应的应力和顶板位移结果

分析表4 得出如下结论：

1）针对工作面顶板稳定性：三个采矿方案下，方案四对应的顶板最大主应力最小，方案一对应的顶板最大主应力最大。但是，三个方案对应的顶板最大主应力值均小于岩体本身的抗压强度71.24 MPa。同时，方案一对应的顶板的位移量最小；而方案三和方案四对应的顶板位移量相近。

2）针对工作面底板稳定性：三个采矿方案下，方案四对应的底板最大主应力最小，方案一对应的底板最大主应力最大。但是，三个方案对应的底板最大主应力值均小于岩体本身的抗压强度71.24 MPa，即底板也处于稳定状态。

3）对于充填体的稳定性而言，三个采矿方案对应的充填体最大主应力均为10 MPa。

随着不同采矿方案对应工作面顶板、底板和充填体的最大主应力不同，但是均在围岩抗压强度的范围之内，即顶板和底板均处于稳定状态[5]。而方案一对应顶板的位移量最小。因此，针对该矿体的开采选用方案一的采矿方案。

3 结语

针对深部矿体开采所面临的“三高一强”较为恶劣的环境条件，若想保证深部矿体高效、安全开采必须克服“三高一强”的恶劣环境。因此，在当前先进矿体开采工艺的支撑下，选用最佳、最合理的采矿方案为保证开采效率和安全性的关键。针对矿体的开采，本文分别采用模糊数学理论和数值模拟手段最终确定处适用于该矿体开采的最佳、最合理的卸压安全开采技术为盘区机械化高分层上向凿岩充填采矿法。