某磷矿既有采空区对Ph3矿层回采稳定性研究.pdf

为确保荆门某磷矿既有 矿层采空区情况下上层 矿层开采安全稳定通过有限差分软件建立矿区三维模型采用多步骤回采方式模拟现阶段 矿层 及以上水平矿体开采后与 矿层矿体开采后两种工况 结果表明:目前 矿层 至 中段采空区矿柱及顶板位移值均较小最大主应力值及分布范围小顶板塑性区较小且未贯通采空区整体较稳定若继续开采 矿层 、中段回采所形成采空区、矿柱及顶板破坏的风险均较低顶板塑性区分布很少且塑性区未贯通 研究结果验证了 矿层具备二次回采矿产资源的可行性为下一步矿山安全开采提供依据关键词:稳定性安全回采数值模拟采空区监测系统中图分类号:./.收稿日期:.作者简介:王昊()男助理工程师研究方向为矿山开采.通讯作者:胡东涛()男正高级工程师研究方向为安全科学与技术、工业安全.基金项目:国家自然科学基金面上项目().磷矿开采过程中会逐步产生采空区对地下开采造成安全隐患 根据不同的采矿方法目前专家学者提出的采空区的处理手段主要有:空场采矿法利用围岩自身作用保持稳定仅对采空区进行封闭使人员禁止出入崩落采矿法在地表允许塌陷的情况下崩落上部围岩达到充填采空区效果充填采矿法采用灌浆、充填废石、膏体充填等手段对采空区进行封闭辅助手段采用喷浆支护、锚杆支护、挂网支护及联合支护等各种支护手段对采空区进行支护 井下采空区具有隐蔽性强、空间分布复杂、空区垮冒难以预测的特点因此采空区稳定性一直是矿山安全生产的重要因素随着区域磷矿资源的不断减少磷矿石价值总体上扬同时由于选矿技术、加工技术水平的提高和发展综合考虑其安全影响 已有采空区的荆门某磷矿 磷矿层开发利用成为可能在安全生产条件允许的前提下可以回收利用部分 磷矿层 为此矿山拟对 矿层进行开采在保证采场稳定的条件下最大限度回收宝贵的矿石资源 矿层位于 矿层回采留下的采空区之上矿体垂直距离约为 矿层与矿层开采已形成的采空区在垂直投影上不重叠经过多年的生产活动矿山井下采空区规模较庞大在上部分 磷矿层回采工程实施之前为保障生产安全亟需研究 矿层回采形成的空区稳定性状况并评估在现有采矿方法条件下矿层 中段、中段回采的稳定性为应对可能出现的危险或安全威胁做好必要的预防和应急准备措施保障回采过程的安全性为保障 矿层回采安全借助有限差分数值模拟软件对矿山设定开采范围的 矿层 中段、中段的安全性进行了系统分析研究结合采场及采空区赋存状况提出了基于光纤光栅的采场安全监测系统并通过监测数据验证现有采空区较为稳定为矿山安全生产管理提供理论支撑同时为类似矿山提供参考 数值模拟.工程概况研究矿区为荆门某磷矿该区处于中元古界杨坡群花岗质片麻岩系与下古生界志留系页岩系 对厚度大于 的矿体选择同步形成间隔矿柱中深孔房柱采矿方法对厚度小于 的薄矿体选择浅孔房柱采矿方法目前该矿 矿层 中段回采工作大部分已结束 中段回采工作也已基本完成矿层 中段只回采部分矿体 中段施工了部分联络石门和中段巷道 矿山目前现有 个井口在使用分别是 主斜井、副斜井、辅助斜井、南采区辅助斜坡道、南 进风平硐、南风井和北风井此外矿山已在 中段设置了中央排水系统在矿区的南北端已建有南、北风井分别安装有通风机形成了中央对角式机械通风系统根据矿山提供的矿区地形平面图及勘探线地质剖面图进行三维坐标变换建立它们之间的空间关系并按照矿山矿区范围结合开采计划采用:的比例处理成三维空间图根据矿山设计中矿房、矿柱设计尺寸采场布置形式及矿体界限分布情况按标准矿块划分矿房、矿柱形成采场三维实体模型如图 图 所示图 地表等高线图图 地表等高线模型通过分析图纸、开采设计、以往研究报告等结合现场调查情况为掌握井下采空区当前状况图 实体模型图下和未来数年内的稳定性情况采用 软件依次对以下工况进行稳定性分析:数值模拟的开采顺序 模拟开采按照矿山设计开采方案对各中段的 和 层矿体分别分阶段开采对每个阶段的矿房进行开采而后及时回采矿柱待回采工作完成后即进行下一计划水平的开采 现阶段 矿层 及以上水平矿体开采后采空区稳定性分析 对 矿层 水平矿房、矿柱开采完成后综合分析采空区顶底板及矿柱的位移、最大主应力、最小主应力及塑性区分布情况评价采空区的稳定性 矿层矿体开采后采空区稳定性分析 在 现有空区的基础上对 矿层按计划进行开采综合分析 矿层 、水平开采后形成的采空区顶底板、矿柱的位移、最大主应力、最小主应力及塑性区分布情况评价开采后采空区的稳定性.计算模型的建立综合矿山提供的地质资料分析参考原矿段和 磷矿层顶底板围岩岩性、厚度和物理力学性质图岩石力学参数测定报告结合工程类比法得到矿区各岩体的基本力学参数如表 所示考虑到实际地下工程对岩体性质影响的复杂性在进行模拟时为便于建模和计算进行了如下简化和假设:研究矿区地质构造较为简单因此仅考虑重力对模型计算忽略构造应力的影响在建模过程中忽略矿区部分节理裂隙、结构面等因素对稳定性的影响将矿区的各种矿房结构简化实体模型模拟中几何模型基础资料均依据现有地质资料因勘探线之间距离较大、且现有手段无法具体探测到地下矿体、断层等结构的真实分布因此模型假设勘探线之间的地质结构是连续表 模型岩体力学参数矿岩类型体积模量/剪切模量/内聚力/内摩擦角/()抗拉强度/容重/(/)白云岩.磷矿.磷矿.第 卷 第 期王 昊等:某磷矿既有采空区对 矿层回采稳定性研究的并依据勘探线所提供的信息建立了三维几何模型假设、矿层的矿房矿柱规则分布 计算结果及分析.矿层 水平回采结束后空区稳定性分析 矿层 、水平矿房开采后矿柱及顶板位移、最大主应力、最小主应力和塑性区分布如图 所示 由图 可知 至 中段矿柱及顶板位移均较小 最大值位于部分矿柱顶部局部区域最大位移值约为.最大值位于中下部顶板区域最大位移值约为.量值较小最大主应力最大值(蓝色区域)主要位于部分矿柱中部局部最大值分别为 、分布范围较小采空区矿柱底部部位出现最小主应力大于 的情况最大值为.、分布范围较小矿柱因应力松弛而导致局部拉破坏的风险较低采空区未出现塑性区顶板塑性区分布很少且塑性区未贯通顶板总体稳定图 、中段位移、应力、塑性区分布云图武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月.矿层回采过程中采场及空区稳定性分析利用 数值模拟软件在现有 矿层空区的基础上对 矿层 、中段进行回采 矿层开采后 、水平矿房矿柱及顶板位移、最大主应力、最小主应力和塑性区分布如图 所示图 、中段位移、应力、塑性区分布云图 由图 可知矿层开采后 、水平矿柱及顶板位移均较小 最大值位于中下部顶板表面区域最大位移值约为.最大值位于顶板局部表面区域最大位移第 卷 第 期王 昊等:某磷矿既有采空区对 矿层回采稳定性研究值约为.量值均较小 、水平最大主应力最大值(蓝色区域)主要位于矿柱中部局部最大值分别为 、分布范围较小顶板下部出现最小主应力大于 的情况最大值分别为.、.量值较小分布范围较小顶板因应力松弛而导致局部拉破坏的风险较低 采空区未出现塑性区 顶板塑性区分布很少且塑性区未贯通采空区总体稳定模拟结果表明矿层回采所形成采空区、矿柱及顶板破坏的风险均较低顶板塑性区分布很少且塑性区未贯通 如果在 矿层采空区的基础上对 矿层 、中段进行回采在做好采动动力灾害常规监测的前提下矿层具备二次回采矿产资源的可行性 采场空区安全监测.监测系统构建监测系统构建主要包括 大模块:传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与管理模块系统组成示意图如图 所示可知:传感器模块是监测系统的核心部分主要包括各种获取采场环境信息的光纤光栅传感器及相连接的数据网络等能够将采场结构等整体和局部特征基础信息准确实时地传输到数据采集与传输模块 数据采集与传输模块主要由传感光缆、光纤光栅解调仪和光纤连接配套设备组成 它是将数据传输到数据处理与管理模块的枢纽能够全天候动态采集采场多维度数据同时对数据进行预处理、调制解调工作后将预处理完成的数据传输至数据处理与管理模块 数据处理与管理模块主要由计算机、界面模块和服务器组成 它能将井下监测的多维度数据通过光纤网络传输至地面控制中心通过对各数据处理后以具体数值或者图像形象化展示实现井下采场数据动态化、可视化从而完成全流程的数据处理存储与管理工作.软硬件系统实现光纤光栅智能感知硬件系统主要包括光纤光图 光纤光栅智能感知系统组成示意图武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月栅倾角计、光纤光栅轴力计、光纤光栅土压力计、光纤光栅应变计、光纤光栅位移计、光纤光栅解调仪 采集仪设计线路如图 所示图 采集仪设计路线根据以上光纤光栅智能感知系统的总体架构和关键技术设计了光纤光栅智能感知系统软件其主要包括客户端系统界面设计、服务器搭建和数据库存储 部分总体功能结构如图 所示图 光纤光栅监测系统软件总体结构.监测系统布置矿山 和 开采情况相似以一个盘区为例分别布置矿柱、顶板、锚杆和巷道中的监测点 监测点布设如表 所示表 监测点布设序号监测对象监测项目应用传感器传感器数量矿柱应变光纤光栅应变计 个位移光纤光栅位移计 个顶板应力光纤光栅土应力计 个位移光纤光栅位移计 个锚杆应力光纤光栅轴力计若干巷道应力光纤光栅土应力计 个变形分布式光纤 根()由表 可知:矿柱监测每个盘区有 个点柱点柱之间之字形布置共布置 个测点每个测点布置一个埋入式的光纤光栅应变计和一个表贴式的光纤光栅倾角计分别测定矿柱是否存在应变变化或者发生局部侧面膨胀导致的矿柱倾斜角度变化 顶板监测盘区内矿房采空之后产生采空区在顶板正中间间隔布置测点每个测点内部埋设光纤光栅土应力计同时表贴光纤光栅位移计分别监测顶板应力和应变 锚杆监测视情况选取锚杆尤其选取稳定性较差的区域监测其螺栓轴力的变化提前预测区域锚固力的减弱 巷道监测和 的巷道的情况类似分别使用光纤光栅土应力计和分布式光纤监测巷道的应力和变形每条巷道约 沿途布置分布式光纤每隔约 布置一个光纤光栅土应力计.监测结果 年 月 中段和 中段监测数据如图 所示 可知矿层回采过程中 、中段监测位移为零监测最大应力均较稳定表明采空区整体较为稳定回采方案可行图 中段和 中段监测最大应力 结论()采用 的动力分析模块对 矿层回采稳定性研究进行了研究得出以下结论:目前 矿层 、中段采空区矿柱及顶板位移值均较小最大主应力量值及分布范围小矿柱及顶板因应力松弛而导致局部拉破坏的风险较低顶板塑性区较小且未贯通采空区整体能够保持稳定 在现有采空区的基础上对 矿层、中段进行回采形成采空区、矿柱及顶板破坏的风险均较低顶板塑性区分布很少且塑性区未贯通 在做好采动动力灾害常规监测的前提下矿层 、中段具备二次回采矿产资源的可行性第 卷 第 期王 昊等:某磷矿既有采空区对 矿层回采稳定性研究()研究对回采模型进行一定的条件假设和简化同时进行矿柱及顶板的理论分析时未考虑时间及蠕变效应故在进行回采设计时应考虑相关要素的影响建议控制 回采率 对开采方式、采场布置形式及回采顺序优化尽可能保证磷矿层开采的安全性参考文献:胡高见陈松巍.磷矿采空区顶板联合支护方案的优化研究.现代矿业():.李小双李耀基王孟来.磷矿地下开采地压规律的()数值模拟.金属矿山():.李旭照.爆破荷载对磷矿大埋深采空区稳定性影响研究.武汉:武汉工程大学.荀荫刘畅钟屹岩.基于 的某磷矿采空区注浆充填治理覆岩变形分析.勘察科学技术():.陈江军石长柏蔡足根等.钟祥市磷矿区复合型地面塌陷形成机制研究.资源环境与工程():.李姝仪晏冬平等.湖北宜昌樟村坪震旦系磷矿层开采稳定性分析.武汉大学学报(工学版)():.任红岗.宜昌磷矿开采多因素影响分析及优化技术研究.北京:北京科技大学.王迎霜.大峪口磷矿采空塌陷分析及防治对策探讨.能源与环境():.王飞飞邹平孟中华等.基于三维数值分析的大桥磷矿采空区稳定性研究.有色金属(矿山部分)():.郭峰王水华蒋新洪等.樟村坪国家矿山公园采空区稳定性研究.资源环境与工程():.李卫陈广甫安宇琪.宜昌夷陵区磷矿山顶板管理和采空区治理探析.中国锰业():.李小双李耀基王孟来.用不同采矿方法开采深部磷矿体的地压规律模拟.采矿技术():.:.:.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月