隔离带研究.docx
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隔离带研究
深部矿体开采采空区研究及
隔离矿柱安全性分析
指导老师：
黄国平倪其君王建宁
编写：
采矿一场生产办
2010年5月28日
一、总论
北矿区深部矿体2#盲井的安装工程正紧锣密鼓地进行，-500m水平的开拓工程也按部就班地推进，预计今年十一月份深部矿体将全面进入采矿施工阶段。
由于下部矿体的2#矿体与深部矿体在空间形态上有相关联性，在倾向方向上，两矿体最薄隔离带仅有10米，且两矿体之间的隔离围岩有不稳固的矽卡岩和闪长岩破碎现象，再加上深部采矿方案拟采用浅孔留矿法和阶段矿房崩落法采矿，势必在2#矿体下部形成一个较大的空区，若不采取措施，将会导致下部矿体和深部矿体采空区出现非人为控制的突然贯通，给深部采矿带来严重危害。
为了保证深部采矿的安全性，我们成立了采空区安全研究小组，对下部矿体与深部矿体在开采过程中和开采后如何确保采矿安全和采空区安全进行研究分析。
根据北矿区以前上部、下部开采的经验，我们选择垂直矿柱、水平矿柱、以及垂直矿柱与水平矿柱相结合的方式对下部矿体与深部矿体加以隔离，并对矿柱的位置确定、稳定性分析，给予说明，为决策深部的采矿提供参考。
二、-380m以下矿体赋存形态及地质情况
2.1深部矿体的产状、形态
根据地质钻孔资料控制情况，-380m以下由下部2#矿体延伸部分和深部矿体两个矿体组成，分布于A2～A9线之间，其中深部矿体为主要矿体。
深部矿体走向330゜，走向长度140m，倾向南西，倾角26゜～46゜属于缓倾斜矿体，其中-380m～-420m间的矿体倾角在20゜～30゜之间；-420m以下的矿体倾角变陡，范围在32゜～46゜之间，并且走向上呈两边倾角较缓，中间较陡，呈透镜状。
矿体最大厚度65m，平均厚度18m左右。
矿体有时分叉或分叉合一，矿体赋存最高在-370m水平以上。
2#矿体走向330゜，走向长度80m，倾角30゜，倾向南西。
2#矿体位于深部矿体的上盘，基本和深部矿体成平行关系，与深部矿体约有10米的距离。
2.2深部矿体储量
深部矿体-380～-500m矿量158.4×104T，品位TFe42.29%,Cu0.182%。
2#矿体矿量11.2×104T，品位TFe42.6%,Cu0.109%。
矿石比重按3.83t/m3计算，松散系数1.6t/m3。
-380m～-500m矿体储量一览表单位：
吨
分层
2#矿体
深部矿体
合计
-380m～-390m
46223.3
38850.4
85073.7
-390m～-400m
14482.9
31706.8
46189.7
-400m～-410m
19927.4
62322.3
82249.7
小计
80633.6
132879.5
213513.1
-410m～-420m
23256.8
126896.3
150153.1
-420m～-430m
8366.2
194281.3
202647.5
-430m～-440m
212853.6
212853.6
小计
565654.2
-440m～-470m
590555.4
917287.1
-470m～-500m
326731.7
总计
112256.6
1584197.8
1696454.4
2.3深部矿体围岩及其性质
-380m以下深部矿体上盘为白云石，根据措施斜井的揭露情况说明上盘白云石裂隙不发育，结构完整，稳固性较好，属于硬岩石。
下盘为矽卡岩，局部为闪长玢岩，裂隙不发育，局部受蚀变影响，稳固性较差，属于软弱岩石，对开采有一定影响。
深部矿体A3～A5线上盘为闪长岩或蚀变闪长岩。
矿体上下盘界限较分明。
矿体内分布有大小不一的夹层、包体，其岩性主要为矽卡岩，其次为蚀变花岗闪长岩，矽卡岩一般具有磁铁矿化，呈似层状分布，厚度在2～4m，对矿体的完整性有一定的影响。
花岗闪长岩呈楔状岩枝分布，厚度6～21m为层间裂隙侵入形成。
三、开采现状
北矿区下部矿体目前主要回采区间在2#矿体的-297m至-380m水平之间，目前-380m水平以上地质储量约有100万吨（含贫矿）。
2#矿体在-380m至-310m之间人为预留了一个沿矿体走向的“永久矿柱”。
矿柱以西-370m水平以上用浅孔留矿法采了1#、2#、、4#、5#、6#矿房,矿房最高采高在-341m；矿柱以东-330m水平采了两个小矿房。
预留的“永久矿柱”在A5线附近由于围岩和矿体不稳固，出现垮塌现象，导致目前的-370m的4#、5#矿房与-310m矿房贯通。
根据马鞍山矿山研究院的研究结果和矿业公司多次组织有关会议达成的共识，该“永久矿柱”已失去隔离作用，对-380至-310的采矿视同“永久矿柱”不存在，整体考虑用中深孔崩落法回采2#矿体的残留矿体，目前正按此思路统筹考虑-380m水平以上的采矿方案。
一旦-380m水平2#矿体开采结束后，将出现一个60多万m3的采区。
2007年在-170m~-140m水平，10.5线附近出现了上部矿体与下部2#矿体隔离的水平矿柱冒落，导致上下部在10.5线贯通，通过在-252m水平上盘观察，目前下部矿体的充填料在-252水平以上。
随着开采深度的下降原上部的充填料缓慢发生移动，上部的粘土和地表水也形成通道渗到各出矿迎头，导致了大量烂矿，给采矿和选矿带来严峻地挑战。
为避免深部矿体出现下部矿体目前的困境，我们拟采用隔离带让深部矿体与下部矿体在采矿上形成独立空间，避免深部采矿出现烂、泥矿发生，为深部采矿创造一个良好的条件。
四、隔离带的确定
方案一：
水平矿柱与垂直矿柱相结合隔离层
随着深部矿体的不断开采，将形成约38万m3的采空区。
开采过程中，采空区的形成将导致其周边岩体的变形、破坏和移动，这样可能使下部和深部采空区连通，直接影响到深部采矿安全。
因此，必须采取有效的措施，防止采空区贯通，减少空区带来的危害。
我们处理采空区的方案是设置水平隔离层和垂直深部矿体走向的支撑矿柱。
4.1设置水平隔离层
4.1.1水平隔离层的作用
我场北矿区井下上、下部采空区在2007年2月5日冒落贯通后，上部矿体采空区垫层瞬间充填了下部空区，并进入各水平采场作业面，造成下部生产原矿质量下降，增加了选矿难度；同时充填料下移产生的强大冲击气流是井下作业的一个重大安全隐患。
因此，我们首先考虑的是深部矿体开采形成的采空区不能与下部空区连通。
通过设置一层连续的水平隔离层，使下部与深部空区完全隔断，防止充填垫层继续下移至深部空区，为深部开采创造良好的作业环境；同时，可以避免-380m水平的涌水通过空区流到深部采矿作业面。
4.1.2水平隔离层的确定
水平隔离层确定后，将不作为开采的对象，故不可避免地损失一部分矿石。
因此，我们确定水平隔离层的原则是确保安全、减少丢矿。
根据A3~A7剖面对2#矿体及深部矿体的赋存状况进行分析，将水平隔离层位置确定在-380m~-410m之间的区域，隔离层厚度为30米。
确定的依据：
（1）、下部2#矿体在-380m水平以下部分呈逐渐分支、尖灭，在-380m~-410m水平之间其地质储量相对较少，约80633.6吨；
（2）、深部矿体主要分布于-410m水平以下，在-410m水平以上主要分布于A6线以南。
-380m~-410m之间矿量约有132879.5吨。
（3）、水平隔离层内矿石量约213513.1吨，占深部总矿量的12.58%。
4.1.3水平隔离层矿柱安全性分析
从剖面图分析，2#矿体上盘为白云岩，下盘为闪长岩和花岗闪长岩；深部矿体的上盘既为2#矿体的下盘，深部矿体下盘围岩主要为花岗闪长岩。
矿岩的坚固性系数白云岩f=8～10,磁铁矿和花岗闪长岩f=8～10,其总体稳定性较好。
从水平隔离层受力状态分析看水平隔离层为30米厚的连续实体，其水平方向围岩受力均相等，处于相对平衡状态，因此，不考虑其水平方向的径向应力的影响，但其垂直方向所受的切向应力应引起重视。
在隔离层的上部约有2475㎡的空区暴露面积，而隔离层下部即-410m水平的空区顶板也有约1245㎡的暴露空间（A6线以北）。
水平隔离层在垂直方向受到两方面力的作用：
一是-410m水平空区暴露面以上的覆岩的重量P1，其值等于隔离层上下空区之间体积和矿岩的平均容重的乘积P1=SHγ。
二是隔离层上面空区充填垫层重量的作用力P2：
P2min=0，即空区没有充填垫层的情况；P2max=Vγ，即空区充满的充填垫层（按30m计）的体积和充填料的平均容重的乘积。
这两方面作用力垂直作用于水平隔离层，使得隔离层受到挤压、拉裂，以至弯曲变形。
4.2支撑矿柱的确定
由于水平隔离层受到垂直方向应力作用，故在水平隔离层的薄弱位置设置垂直于深部矿体走向的支撑矿柱,用以支撑水平隔离层,防止水平隔离层因受挤压造成拉裂垮塌。
4.2.1矿柱位置、尺寸的确定
矿柱位置选定在A5线附近，以-440m水平2#穿脉为中心，宽度12m，沿A5勘探线长度60m，位于-410m～-470m水平之间，高度60m（倾斜厚度35m）。
按照以上规格设置的矿柱，其中含有矿石量约52279.5吨，占深部总矿量的3%。
综合各方面因素考虑，设置支撑矿柱是必要的：
（1）、支撑水平隔离层
水平隔离层垂直方向受到两方面力的作用，隔离层自身覆岩的重量和下部空区充填垫层的重量，尤其是垫层的下移，隔离层承受的压力越来越大，使隔离层可能弯曲拉裂造成破坏。
通过设置支撑矿柱，可以起到支撑水平隔离层的作用，减缓其变形破坏。
（2）、减小深部矿体空区暴露面积
深部矿体赋存于A3～A9线之间，但A7～A8线间布置有-380m～-500m的措施斜井，为确保斜井使用安全，势必留有间柱以保护斜井。
随着深部矿体的开采，在措施斜井以北区域将形成大面积的采空区。
因此在A3～措施斜井之间设置矿柱，将空区一分为二，形成南、北两个空区，有利于空区的稳定。
（3）、支撑上盘围岩薄弱面
通过对A4、A5、A6线地质钻孔（共8个孔）资料分析，位于在A5线的CK0503、CK0502两钻孔资料显示，其矿体上盘的闪长岩和花岗闪长岩（A5剖面）的节理发育，岩石较破碎，即在A5线，深部矿体上盘有一破碎带。
通过在此设置支撑矿柱，保持其上盘围岩的完整性，并起到支撑上盘围岩的作用。
（4）、下部2#矿体空区通过4#、5#矿房与-310m的空区连通，而4#、5#矿房也就分布于A4～A6线之间，在空间上该区域是下部和深部矿体空区可能贯通的最薄弱区域。
4.2.2深部采空区及垂直矿柱稳定性分析
1、空区稳定性及其变化趋势
设置支撑矿柱后，深部矿体形成两个空区，在此将矿柱以南的空区定为1#空区，矿柱以北的空区定为2#空区。
1#空区南北长约65m，宽度最大约30多米，长度大于两倍的宽度，其宽度是影响空区稳定性的主要因素。
1#空区在-430m水平以上的上盘围岩主要为闪长岩或花岗闪长岩，其坚固性较好，但在-430m水平以下其上盘围岩为矽卡岩夹层，岩性不稳固。
作为缓倾斜矿体，按照拱形假说的松散体力学理论，这部分围岩有可能不断冒落，直到达到新的应力平衡。
因此，1#空区的暴露面将有扩大的趋势。
1#空区的应力集中区主要分布在空区的上、下盘围岩的两帮。
因矿体在A3～A5变的厚大，2#空区长度沿东西方向分布，最长有70多米，宽度有40m，暴露面积较大，依靠矿柱、矿体端部及上下盘围岩支撑空区顶板，也是应力集中的区域。
2#空区的上盘、端部等岩体的应力重新分布的过程将使空区边界发生循环的变形、位移和破坏，该空区允许围岩崩落充填空区，其上盘围岩均为实体，不会影响到下部矿体空区。
2、矿柱稳定性分析
随着深部矿体的不断开采，支撑矿柱除受到其上部水平隔离层覆岩的垂直应力，其两侧空区的形成将使矿柱成为主要应力集中区域。
上面已有分析，矿柱南面的1#空区其应力集中在上下盘围岩，对矿柱的影响会相对较小；但2#空区长宽比例接近，暴露面积也较大，其应力变化过程和频率较多并影响到支撑矿柱的稳定性。
在两侧空区最终达到新的应力平衡过程中，要加强对矿柱的监控和维护。
两侧空区稳定后，矿柱将由应力集中区转化为应力降低区，矿柱将保持稳定。
方案二:
垂直矿柱的选择
4.3、垂直矿柱隔离带的确定
4.3.1位置选择
根据A3-A8剖面和-370m~-440m水平的平面图，选择隔离带中矿量最少（或接近最小）的地带，同时考虑隔离带留下后，下部和深部开采在时间、空间上不造成冲突，故隔离矿柱选在-370m水平，原下部2#矿体已采区的边缘，利用-370m水平5#矿房底柱结构做隔离带，尽量减少隔离带中2#矿体的矿量，同时选择并保护好该底柱、间柱中的电耙、漏斗结构将为4#、5#矿房压顶后的矿石回收提供保障，隔离带同时考虑尽量少占用深部的矿量。
鉴于马院的推荐和深部的地应力随之加大的原因隔离带选择垂直矿柱，宽度全部采用15m。
隔离带分四个部分
A4线以北（方位N11°E）
A6~A4（方位N19°30′W）
A6~A7（方位S62°E）
A7线以南（S36°E）
4.3.2隔离带矿量
隔离带的总矿量约5.4万吨，其中2#矿体-380m以上矿量约2万吨（含底柱和间柱）。
4.3.3A5-A6线2#矿体1#、2#矿房空场的处理
（1）、由于-370m水平1#、2#矿体已采结束形成一个空场，这时用5#矿房底柱电耙巷作为隔离带显得较薄弱。
故采用混凝土浇墙来解决空区隔离的问题。
混凝土墙的规格：
根据对现场的了解和实测，最高约15m，长度约35m，采用C25混凝土，墙宽1.2m，间柱采用立柱支撑，现场开挖基础，并对间柱实施锚杆作业使其与混凝土墙相连，具体情况见墙体的设计图。
（2）、混凝土墙的费用
整）道墙大约需要混凝土800m³，Φ16mm螺纹钢1000kg，以钢筋混凝土的施工定额计算（每立方600元/m3计），总费用约48万。
4.4、矿柱稳定性分析
根据挡土墙强理论，该矿柱受力分析如图:
Q=（q+rH）tg2（45°-Φ/2）
Q=2×200×104tg2（45°-Φ/2）=1.53×103kN/㎡=1.8MPa
假设松散体上覆围岩对松散体没有压力传导，q=0;
矿、岩、水松散体的比重为20x103N/m3；
松散岩体的伪内摩擦角tg2（45°-Φ/2）查表取0.45（平均值）；
H为松散体的高度取200米，（－370m～－170m）；
而该矿柱薄弱带的的承受的剪切应力,根据经验方程得:
τ=A
（
/
-T）B=2.99MPa
A=0.998
以马院的破坏抗压强度8.73MPa
覆岩施加给矿柱的应力
=rv/s=2.8*330*35*104*35/15*35=2.16MPa
T=-0.008;B=0.712,
根据以上的估算，该矿柱的抗剪切力，大于松散矿岩混合体对矿柱的是假的剪切应力，说明该矿柱的稳定性可以满足设计要求。
4.5、深部采空区安全性分析
在确定该隔离带的前堤下，深部矿体开采后，随着开采深度的不断下降，将出现在走向上约140m，径向跨度最大约60m，平均跨度约20m，垂直高度120m,近40万立方米的空场。
-380m以下，A4、A5、A6线的2#矿体也将出现一个近4万立方米小空场，两个空场之间的斜间柱最薄厚度只有10米，通过对深部矿体产状分析，结合地质钻孔资料来看，在A4~A5线深部矿体上盘的闪长岩和花岗闪长岩节理发育，岩石较破碎。
我们采用普式地压学说中的免压拱理论计算，顶板垮落高度b=a/f=（4~10）m，再加上岩石受力的蠕变效应，由此推断在-440m以上，深部矿体顶板与2#矿体极有可能冒落贯通。
由于采用了隔离矿柱，矿柱以东的充填料，不会造成充填料瞬间进入深部空场，故其产生的威害较小。
在-440水平以下，Y轴（4020050）以西深部矿体可能会出现上盘矽卡岩和白云岩自然垮落，但不会影响2#矿体围岩稳定性，也就是说-440m以下的矿体在20米左右的缓冲垫层下回采是安全的。
由此可见深部矿体在开采过程中，最为担心的是开采到-440m水平以下后A4~A5线2#矿体与深部矿体斜间柱垮塌，引起垂直矿柱的失稳，导致充填料瞬间充填深部空区。
为防止顶板冒落对隔离间柱产生剥离失稳效应，可考虑在-400m~-380m水平留一个20米厚度的水平隔离层保护垂直隔离层，或缓解顶板垮塌时间，为安全回采深部矿体创造条件。
该水平隔离层矿量2#矿体约8万吨，深部矿量约12万吨，合计水平加垂直隔离矿柱总量约23万吨。
4.6下部矿体闭坑后充填料及水对深部开采的影响
下部矿体闭坑后，将形成隔离带东、西两个采区，东边采区容积约60万m³（考虑下部矿体上盘自然冒落，实际容积要大些），西边约4万m³，在隔离带的作用下充填料对深部采矿基本上是不会造成影响,但是水的影响可能会出现。
闭坑后的上、下部水通过溜井、天井等途径渗到-380m水平与深部有许多巷道相关联，故而在闭坑后为防止下部的水流到深部，要对溜井和巷道实施截流防水。
五、空区监控
在深部矿体的开采过程中，随着采空区的形成，必须做到超前防范和控制，采取一定的方法或措施，实时监控、掌握采空区、水平隔离层和支撑矿柱的变化情况，以便尽早发现、消除可能发生的不安全因素，避免空区造成的不利影响。
5.1水平隔离层的监控
（1）、利用仪器（测距仪）测量空区的大小及边界的变化情况，尤其是要掌-410m水平空区顶板的冒落、跨塌变化。
可利用已有的巷道或建立专门的观察通道和观察点，定期监测，并做好监测记录。
（2）、设置测孔，掌握空区顶板的冒落、跨塌的变化趋势（类似于-140水平的观测孔）。
在-380m水平对应于-410水平空区的区域，设置一定数量和不同深度的测孔至空区顶板方向（测孔与空区不贯通），定期观测并有记录。
（3）、测量-380m水平隔离层空区顶板高程的变化，了解隔离层弯曲或塌陷的变化程度。
在空区顶板的可能冒落区域内，设置一定数量的测点，利用测量仪器，定期测量-380m水平高程的变化，做好测量记录和数据的分析。
（4）、不断利用新的技术和方法，加强对空区科学的监控和管理，防患于未然。
5.2支撑矿柱的保护
深部矿体的开采过程中，将不可避免地对支撑矿柱造成一定的影响，在设计和施工中要加强对矿柱的保护，保证矿柱足够的强度和稳定性，以维持对隔离层的支撑。
采取的措施：
（1）、减少对矿柱的破坏：
一是避免对矿柱过量开采，技术人员要做好现场的施工控制和技术指导；二是减少爆破对矿柱造成的破坏：
合理设计爆破方案，控制爆破药量，减少因爆破对矿柱造成的破坏频率。
（2）、加强对矿柱内薄弱区域的支护，保证矿柱足够的强度。
（3）、选择合理的采矿方法、确定合理的矿块结构参数和回采顺序，减少矿柱内的应力集中程度。
（4）、监测矿柱内的应力变化趋势，这方面需要专门的研究机构来做。
六结论
通过两个方案的分析，各有利弊，方案一中支撑矿柱高度60m,宽度12m,矿柱高宽比过大，很容易失稳，方案二中混凝土浇墙工艺复杂，接顶困难。
方案二中如果不设水平矿柱，其可采矿矿量将增加15万吨。
方案一中水平隔离层中深部矿体-410m以上A6线以南的矿体还是有开采的条件，必要时可以考虑回收的方案，以减少矿产资源的损失。
我们所做的这个方案，还比较粗浅，是在所学的一些专业理论知识的基础上，通过查找有关资料以及总结生产实践经验而做的一个理论上的分析，还缺少必要的实验基础，请各位领导、专家指正。
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