常興建

(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古赤峰市 025400)

紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角與移動(dòng)帶預(yù)測(cè)研究?

常興建

(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古赤峰市 025400)

為了揭示紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)規(guī)律,綜合采用工程類(lèi)比法、前蘇聯(lián)礦山研究所推薦的巖層移動(dòng)角計(jì)算方法和人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法,對(duì)紅嶺鉛鋅礦鋅1號(hào)礦體、鋅

1－1號(hào)礦體以及鋅2號(hào)礦體上盤(pán)、下盤(pán)以及走向巖層移動(dòng)角進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究,并圈定了紅嶺鉛鋅礦崩落開(kāi)采巖層移動(dòng)范圍,研究結(jié)果為紅嶺鉛鋅礦實(shí)現(xiàn)安全高效回采提供了理論依據(jù)。

巖層移動(dòng)角;巖層移動(dòng)帶;開(kāi)采沉陷;安全措施

赤峰山金紅嶺鉛鋅礦用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采,由于采空區(qū)沒(méi)有充填,不僅造成地表塌陷,上下盤(pán)巖層移動(dòng),影響豎井和地表建筑安全,而且破壞生態(tài)環(huán)境。因此,有必要針對(duì)紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采特征,研究巖層移動(dòng)規(guī)律,為礦山安全決策提供科學(xué)依據(jù)。

金屬礦開(kāi)采過(guò)程中,必然會(huì)形成數(shù)量龐大的采空區(qū),這些采空區(qū)的上覆巖層在自重、構(gòu)造應(yīng)力以及開(kāi)采擾動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生多種形式的破壞,如跨落、斷裂、離層、彎曲等,進(jìn)而發(fā)展到地表形成一定區(qū)域內(nèi)的地表塌陷[1-2]。煤礦床是賦存相對(duì)規(guī)則的水平煤層,通常用綜放式開(kāi)采,而在金屬礦床中賦存條件復(fù)雜,礦體形狀是不規(guī)則的,且呈現(xiàn)分支復(fù)合現(xiàn)象,因而礦床采后形成的空區(qū)形狀和尺寸千差萬(wàn)別[3-4],同時(shí)金屬礦床存在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,致使一些用于煤層開(kāi)采的地表沉陷、巖層移動(dòng)等理論難以適用于地下金屬礦床,金屬礦山開(kāi)采的巖層沉陷機(jī)理、地表移動(dòng)規(guī)律等理論研究仍處于起步階段[5-10]。為此,本文針對(duì)紅嶺鉛鋅礦礦體傾角陡、產(chǎn)狀不穩(wěn)定、存在分支復(fù)合等復(fù)雜開(kāi)采技術(shù)特征,綜合采用工程類(lèi)比法、前蘇聯(lián)礦山巖層移動(dòng)角計(jì)算方法和人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法,對(duì)紅嶺鉛鋅礦上盤(pán)、下盤(pán)以及走向巖層移動(dòng)角進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究,圈定了巖層移動(dòng)影響范圍,探索了礦床開(kāi)采對(duì)豎井和地表建筑的影響,為礦山實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采提供了基礎(chǔ)。

1 紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采技術(shù)條件

紅嶺鉛鋅礦存在兩個(gè)平行的大理巖層位并由此形成了兩個(gè)含礦帶,分別為南含礦帶和北含礦帶。礦帶自東向西共分5個(gè)礦段,主要工業(yè)礦體賦存于Ⅲ礦段內(nèi),共圈出3個(gè)主要鋅礦體,即鋅1號(hào)礦體、鋅1－1號(hào)礦體以及鋅2號(hào)礦體,1號(hào)礦體位于1－1號(hào)礦體下盤(pán),1－1號(hào)礦體位于1號(hào)上盤(pán)2號(hào)下盤(pán)。3個(gè)鋅礦體開(kāi)采技術(shù)條件見(jiàn)表1。

表1 鋅礦體開(kāi)采技術(shù)條件

2 紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角預(yù)測(cè)

為了確定紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角,綜合采用工程類(lèi)比法、全蘇礦山研究所推薦的巖層移動(dòng)角參數(shù)計(jì)算法和人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法確定紅嶺鉛鋅礦鋅1號(hào)礦體、鋅1－1號(hào)礦體以及鋅2號(hào)礦體上盤(pán)、下盤(pán)以及走向巖層移動(dòng)角。

2.1 工程類(lèi)比法

工程類(lèi)比法是在調(diào)查研究相類(lèi)似工程研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)類(lèi)比分析,得出相應(yīng)工程的研究結(jié)果或參數(shù)的方法,是目前最常采用的一種方法,因此本文首先用工程類(lèi)比法研究紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角。通過(guò)調(diào)研和查閱國(guó)內(nèi)外礦山相關(guān)工程實(shí)例,分析各礦山開(kāi)采技術(shù)參數(shù),如巖體普氏系數(shù)、礦床地質(zhì)構(gòu)造、礦體賦存產(chǎn)狀等特征參數(shù),與紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采技術(shù)條件相比較。研究發(fā)現(xiàn),紅嶺鉛鋅礦的巖性特征、礦體賦存條件以及工程地質(zhì)特征與國(guó)內(nèi)武山銅礦、小鐵山鉛鋅礦和前蘇聯(lián)某礦山相似,通過(guò)工程類(lèi)比,分析得出紅嶺鉛鋅礦鋅1號(hào)礦體、鋅1－1號(hào)礦體以及鋅2號(hào)礦體開(kāi)采上盤(pán)、下盤(pán)及走向巖層移動(dòng)角見(jiàn)表2。

表2 基于工程類(lèi)比法的紅嶺鉛鋅礦各礦體巖層移動(dòng)角

2.2 前蘇聯(lián)礦山研究所推薦的巖層移動(dòng)角計(jì)算方法

前蘇聯(lián)礦山研究所推薦的巖層移動(dòng)角計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便適用。該計(jì)算方法將巖體按賦存特征分為兩種[11],一種為層狀巖體礦床,另一種為非層狀巖體礦床。對(duì)于非層狀巖體礦床,該計(jì)算法在礦床分類(lèi)和巖移分類(lèi)的基礎(chǔ)上提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下:

式中,δp為下盤(pán)巖層移動(dòng)角;βp為上盤(pán)巖層移動(dòng)角; δ為走向巖層移動(dòng)角;當(dāng)f＜5時(shí),α≤60°,f≥5時(shí), α≤65°。

根據(jù)紅嶺鉛鋅礦各礦體所對(duì)應(yīng)的圍巖力學(xué)參數(shù),用式(1)～式(3)計(jì)算,分別確定各勘探線剖面上的巖層移動(dòng)角參數(shù)。其中,各礦體所取勘探線剖面普氏系數(shù)見(jiàn)表3。將所得各平均值作為礦區(qū)鋅1、1－1以及2號(hào)礦體的巖石移動(dòng)角參數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 紅嶺鉛鋅礦各礦體所對(duì)應(yīng)勘探線普氏系數(shù)

表4 基于全蘇礦山研究所確定的紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角

2.3 基于人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地表移動(dòng)角預(yù)測(cè)研究

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦神經(jīng)系統(tǒng)形成的一種計(jì)算方法,神經(jīng)元將神經(jīng)細(xì)胞用一個(gè)多輸入單輸出的非線性節(jié)點(diǎn)來(lái)表示[12]。人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常采用一個(gè)3層前饋網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 BP3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

(1)生成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本。根據(jù)紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采技術(shù)特征,按照重要性和獨(dú)立性原則,選取6個(gè)影響因素作為紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采巖層移動(dòng)角預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入,6個(gè)因素分別為:礦床上下盤(pán)圍巖性質(zhì)、礦床開(kāi)采深度、礦體厚度、礦體傾角、上下盤(pán)圍巖穩(wěn)固程度。通過(guò)大量分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦山崩落采礦巖層移動(dòng)工程實(shí)踐資料和相關(guān)文獻(xiàn)資料,整理數(shù)據(jù)如表5所示。

(2)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與計(jì)算結(jié)果。對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,采用traingdx函數(shù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練566次后,達(dá)到了期望誤差0.0001,網(wǎng)絡(luò)收斂,形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型。根據(jù)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)赤峰山金紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角進(jìn)行預(yù)測(cè),具體結(jié)果為:鋅1號(hào)礦體上盤(pán)移動(dòng)角56.8°,下盤(pán)移動(dòng)角68.3°,走向移動(dòng)角62.8°;鋅1－1號(hào)礦體上盤(pán)移動(dòng)角50.1°,下盤(pán)移動(dòng)角70.7°,走向移動(dòng)角63.3°;鋅2號(hào)礦體上盤(pán)移動(dòng)角51.6°,下盤(pán)移動(dòng)角70.2°,走向移動(dòng)角63.4°。

2.4 紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果

將工程類(lèi)比法、前蘇聯(lián)礦山研究所推薦的巖層移動(dòng)角計(jì)算方法和人工BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法3種方法的計(jì)算結(jié)果取平均值,得到紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角(見(jiàn)表6)。

表5 國(guó)內(nèi)外部分崩落法礦山地表移動(dòng)資料

表6 紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表6所求得的紅嶺鉛鋅礦上下盤(pán)巖層移動(dòng)角,在各勘探線剖面按移動(dòng)角作圖,得到各剖面線上下盤(pán)巖層移動(dòng)線,從而得到地表與巖層移動(dòng)線的交點(diǎn),依次連接各點(diǎn)得到礦床開(kāi)采地表移動(dòng)帶,如圖2所示。

圖2 紅嶺鉛鋅礦地表移動(dòng)帶

3 結(jié) 論

為確定紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角,采用工程類(lèi)比法、前蘇聯(lián)礦山研究所巖層移動(dòng)角計(jì)算方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,分析計(jì)算出各種方法的紅嶺鉛鋅礦開(kāi)采上盤(pán)、下盤(pán)和走向巖層移動(dòng)角,對(duì)3種方法的計(jì)算結(jié)果綜合分析,得出紅嶺鉛鋅礦鋅1號(hào)礦體上盤(pán)巖層移動(dòng)角55.7°、下盤(pán)巖層移動(dòng)角66°、走向巖層移動(dòng)角68.3°;鋅1－1號(hào)礦體上盤(pán)巖層移動(dòng)角52.8°、下盤(pán)巖層移動(dòng)角68.7°、走向巖層移動(dòng)角68.2°;鋅2號(hào)礦體上盤(pán)巖層移動(dòng)角54°、下盤(pán)巖層移動(dòng)角69.6°、走向巖層移動(dòng)角68°。用計(jì)算得出的巖層移動(dòng)角圈定了紅嶺鉛鋅礦崩落開(kāi)采巖層移動(dòng)范圍,研究結(jié)果為紅嶺鉛鋅礦實(shí)現(xiàn)安全回采提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]夏小剛.采動(dòng)巖層與地表移動(dòng)的“四帶”模型研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[2]王 鵬.復(fù)雜開(kāi)采條件下覆巖移動(dòng)和變形規(guī)律的模擬研究[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[3]SakamotoA,YamadaN,IwakiK,etal.Applicabilityofrecyclingmaterialstocavityfillingmaterials[J].Journalofthe SocietyofMaterialsScience,2005,54(11):1123-1128.

[4]趙靜波,高 謙,李 莉.地下采動(dòng)巖層移動(dòng)預(yù)測(cè)理論分析與研究[J].礦冶工程,2004,24(3):1-4.

[5]DiederichsMS,KaiserPK.Stabilityoflargeexcavationsin laminatedhardrockmasses:thevoussoiranaloguerevisited [J].InternationalJournalofRockMechanics&MiningSciences,1999,36(1):97-117.

[6]蔡美峰.金屬礦山采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化與地壓控制－理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[7]江飛飛,李向東,萬(wàn) 兵,等.盤(pán)區(qū)二步驟采場(chǎng)嗣后膠結(jié)充填對(duì)巖層移動(dòng)影響分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2016,36(10): 94-98.

[8]焦 驁,許夢(mèng)國(guó),王 平,等.程潮鐵礦聯(lián)合開(kāi)采方案巖層移動(dòng)角變化對(duì)開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益的影響[J].化工礦物與加工,2016 (07):42-45.

[9]費(fèi)漢強(qiáng),潘 懿.金屬礦充填法開(kāi)采巖層移動(dòng)角選取的隨機(jī)森林方法[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2016,36(06):108-111.

[10]李文秀,武 震,陳二忠,等.中深部采礦地表移動(dòng)預(yù)測(cè)的Fuzzy測(cè)度法[J].化工礦物與加工,2015(03):35-37.

[11]付玉華.露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采巖體穩(wěn)定性及巖層移動(dòng)規(guī)律研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[12]郭文兵,鄧喀中,鄒友峰.巖層移動(dòng)角選取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(9):69-73.

2017-01-25)

常興建(1966－),男,內(nèi)蒙古赤峰人,工程師,主要從事采礦技術(shù)及管理工作,Email:342097076＠qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51674288).