劉順斌，鄧 柯，吳 東

(1.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100；3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

某鋰礦床屬鈉長花崗偉晶巖型鋰礦床。區(qū)內(nèi)地形坡度變化大，一般22°～45°。礦體傾角57°～85°，最大埋深241 m，礦體厚度為3.43～22.43 m。該礦區(qū)地處深切高—極高山區(qū)，地形坡度22°～45°左右。礦區(qū)內(nèi)鋰礦體賦存于花崗巖脈中。礦體周邊圍巖主要為二云石英片巖、黑云石英角巖、紅柱二云石英片巖等。

建設(shè)單位已施工了一些坑探工程，從目前工程揭露的情況來看，礦體及圍巖的穩(wěn)固性差，易風(fēng)化，尤其遇水后，巖體易于崩解破碎，巷道自穩(wěn)困難，井巷工程需大面積的支護(hù)。

鑒于以上實(shí)際情況分析，該礦山采礦方法采用上向進(jìn)路充填法。進(jìn)路充填采礦法作為開采節(jié)理裂隙發(fā)育礦體常用方法，由于其在提高礦石回收效果、降低貧化率、控制采場地壓、維持采場穩(wěn)定和控制地表沉降及塌陷方面的良好效果，更是受到高價(jià)值礦石以及地表需要嚴(yán)格保護(hù)的礦山重視和歡迎。

為此，針對(duì)該鋰礦所賦存的巖體破碎復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，根據(jù)其賦存條件、巖體力學(xué)性質(zhì)特性、采場分布等基本情況，建立進(jìn)路法三維數(shù)值模擬計(jì)算模型，分1步驟和2步驟開采來分析采空區(qū)未充填、充填后圍巖、充填體及頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)分布規(guī)律和位移變形趨勢，為礦山后續(xù)的安全生產(chǎn)提供保障。

1 采場結(jié)構(gòu)尺寸與采礦方法工藝

對(duì)于沿走向布置上向進(jìn)路充填法，1個(gè)礦塊可分為2次完成回采，如前所述，礦塊內(nèi)沿走向劃分為2條進(jìn)路，進(jìn)路寬度3～4 m，先回采上盤1步驟進(jìn)路，再回采下盤的2步驟進(jìn)路。由于1個(gè)礦塊分2次完成回采，單次回采進(jìn)路尺寸可考慮3～4 m寬，高3.75 m。

上向進(jìn)路充填法1步驟采空區(qū)膠結(jié)充填結(jié)束養(yǎng)護(hù)完畢后2步驟才能進(jìn)行開采。1步驟進(jìn)路底層充填體灰砂比為1：5，充填高度3.15 m；2步驟進(jìn)路底層灰砂比為1：20，充填高度3.15 m；各步驟高強(qiáng)度面層滿足鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行要求，采用灰砂比1：4～1：8的充填體進(jìn)行充填，充填高度0.6 m，強(qiáng)度要求14天大于2 MPa。

采場回采順序：上向進(jìn)路充填法1步驟采空區(qū)充填結(jié)束養(yǎng)護(hù)完畢后2步驟才能進(jìn)行開采。1個(gè)礦塊沿走向內(nèi)布置2條進(jìn)路，分2步驟回采。由于每一個(gè)礦塊內(nèi)設(shè)置了2條回采聯(lián)道，每個(gè)步驟可以由回采聯(lián)道對(duì)應(yīng)的2邊進(jìn)路組成1個(gè)回采單元，1個(gè)礦塊內(nèi)有2個(gè)回采單元，1個(gè)回采單元按同一工序進(jìn)行作業(yè)，即1個(gè)回采單元先進(jìn)行鑿巖爆破，另一個(gè)回采單元進(jìn)行出礦。

該次采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

2 計(jì)算模型的建立

業(yè)隆溝地下基建首采礦段標(biāo)高4 010～4 100 m，距離地表埋深平均150 m左右。該次模擬計(jì)算采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型，最終生成的上向進(jìn)路分層充填法模型見圖1。采用三維巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行進(jìn)路分層開采對(duì)頂板上覆巖層穩(wěn)定性計(jì)算分析。

圖1 分層進(jìn)路法采場結(jié)構(gòu)模型

采場結(jié)構(gòu)尺寸：中段高度90 m，分段高度15 m，礦塊沿走向劃分和布置，礦塊長80 m，礦塊間留設(shè)間柱；同時(shí)對(duì)于大于8 m的厚礦體，礦塊采場中間位置也留設(shè)1間柱來控制采場地壓，間柱寬度尺寸為4 m，中段間留設(shè)1個(gè)分層高度的礦柱?；夭蛇M(jìn)路垂直礦體走向布置，盤區(qū)由21條回采進(jìn)路組成，進(jìn)路斷面尺寸為(3.5～4)m×3.75 m，回采長度為礦體厚度，中段間由下往上進(jìn)行回采。

3 進(jìn)路分層開采對(duì)頂板上覆巖層穩(wěn)定性計(jì)算分析

礦體開挖形成采空區(qū)后，圍巖應(yīng)力遭受重新分布，引起圍巖和礦柱應(yīng)力集中，穩(wěn)定模擬結(jié)果分析如下：

(1)頂板塑性區(qū)分布云圖見圖2、圖3?？梢钥闯觯旱V體1、2步驟逐層回采+充填交替均勻向上，采場進(jìn)路頂板塑性擾動(dòng)區(qū)只是零星分布，未形成連片大量的塑性擾動(dòng)區(qū)，對(duì)進(jìn)路作業(yè)頂板穩(wěn)定性影響不大，只是在分層下盤邊界角隅處產(chǎn)生了一小部分塑性區(qū)，那是因?yàn)樵撐恢谜檬菈簯?yīng)力集中的區(qū)域。

(2)從圖2、圖3可以看出：分層角隅處作業(yè)頂板塑性區(qū)高度大約為3.75 m，塑性區(qū)高度不大，說明每次分層開采造成作業(yè)頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)高度是有限的，說明采用上向分層進(jìn)路充填法采礦，巷道空區(qū)跨度小，及時(shí)充填后，這樣使采空區(qū)及時(shí)得到支撐，限制圍巖和礦柱變形的發(fā)展，極大地保證了工作面的安全以及降低了頂板巖層的下沉程度，上向分層進(jìn)路充填法能夠維護(hù)頂板上覆巖層的穩(wěn)定，具有一定的可行性和安全保障性。

圖2 3.75 m高的分層開挖后，采場周邊圍巖塑性區(qū)分布云圖(走向剖面)

圖3 3.75 m高的分層開挖后，采場周邊圍巖塑性區(qū)分布云圖(剖面)

(3)頂板巖層整體下沉位移變形云圖，見圖4、圖5?？梢钥闯觯翰煽諈^(qū)頂板的變形基本呈現(xiàn)拱形效應(yīng)，分段開采后，直接頂板整體最大下沉位移值為1.6 cm，頂板下沉變形量很小，說明頂板上覆巖層不會(huì)發(fā)生冒落，只是局部掉塊或小塌方現(xiàn)象會(huì)有可能發(fā)生，但是頂板上覆巖層整體大面積冒落不會(huì)發(fā)生，由此可見，分層進(jìn)路礦體開挖后，加上及時(shí)充填，不會(huì)對(duì)頂板上覆巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，上覆巖層整體是穩(wěn)定的，能夠滿足采場作業(yè)的安全。

圖5 3.75 m高的分層開挖后，頂板巖層整體下沉位移變形云圖(剖面)

4 結(jié) 語

該鋰礦礦脈中厚，巖體易于風(fēng)化破碎，圍巖穩(wěn)固性差，頂板允許暴露的面積非常有限，故而采用上向進(jìn)路充填采礦法，實(shí)現(xiàn)有效控制采場地壓，控制頂板上覆巖層下沉變形，保障了回采工作面的人員作業(yè)的安全。通過以上FLAC3D數(shù)值模擬研究分析得出以下結(jié)論：(1)合理的采場跨度對(duì)于井下礦產(chǎn)資源高效、安全開采至關(guān)重要，得到了該礦區(qū)采場的位移場及塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律。模擬分析結(jié)果顯示，在該礦山工程地質(zhì)條件差的情況下，4 m為采場進(jìn)路的極限跨度，超過4 m頂板就會(huì)發(fā)生破壞，建議現(xiàn)場進(jìn)路跨度不得超過4 m，這樣將能夠滿足采場圍巖整體穩(wěn)定。

(2)礦體采用分層進(jìn)路充填法開挖后，采場周邊圍巖產(chǎn)生的塑性區(qū)分布是很少且有限的，未波及到地表，不會(huì)對(duì)地表穩(wěn)定產(chǎn)生影響，說明該進(jìn)路充填法能有效地控制采場地壓，保障工作面的安全，實(shí)現(xiàn)維護(hù)好采空區(qū)周邊圍巖和地表的穩(wěn)定。

(3)進(jìn)路法采場頂板下沉變形量較小，跨度小，可控制進(jìn)路采場頂板下沉變形，實(shí)現(xiàn)了采場周邊圍巖自穩(wěn)能力，由此可見：進(jìn)路充填采礦法作為開采節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體是一種非常行之有效的方法。

(4)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)表明，采用分層進(jìn)路法后，礦石損失率和貧化率明顯很低，出礦效率高，效果良好，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。