多层矿床同阶段相邻矿层安全回采顺序分析

胡 倩 叶义成 柯丽华 王其虎

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430081;2.湖北省页岩钒资源高效清洁利用工程技术研究中心，湖北 武汉430081)

矿山开采中，不同的回采顺序对采场和围岩的应力场、位移场以及稳定性产生不同程度的影响［1］。多层排列矿床，上、下矿层逐次采动，多中段同时作业均对其邻近矿层形成应力扰动［2］。矿层回采顺序不同，矿层扰动影响差别很大。通过合理调整矿层的回采顺序，可以显著改变开挖后围岩的应力分布状态，提高采场的稳定性和回采工作面的安全性。许多学者对多层矿床回采扰动影响进行了研究。池秀文［3］结合岩梁和岩石力学、材料力学理论，探讨了多层矿床顶板岩层与其相邻的矿层厚度比对顶板稳定性的影响，为判断顶板稳定性和开采相互影响提供了理论依据。针对急倾斜近距离煤层群，李良林［4］从理论和实践中分析了矿压显现的一般规律，总结出不同状况下开采时煤层相互之间的矿压显现和互相影响程序，提出了巷道布置方式及其对应的开采顺序。郝雁斌［5］针对近距离多煤层，对不同的煤层开采顺序方案进行数值模拟，从顶底、板位移、顶底板应力分布等方面分析了不同方案的岩层垮落情况和煤层间回采扰动程度，从而确定了合理的煤层开采顺序。张绪言［6］利用数值模拟方法，对极近距离煤层群开采时不同开采顺序对下层煤巷道围岩的应力影响进行了分析。这些研究通过分析围岩应力、位移等分布状态对多层矿回采扰动影响进行了探索，而从理论上确定多层矿床矿层间回采扰动影响范围，调整阶段中相邻矿层的回采顺序的研究还不多见。

本研究针对多层矿床开采过程中矿层间相互扰动影响关系，分析扰动影响高度［7］对阶段中相邻矿层安全回采顺序的影响。基于阶段高度与扰动影响高度的大小关系分类，探讨2 层矿体同时从上至下、先上后下和先下后上开采时，相邻2 矿层的超前关系及安全回采顺序。

1 多层矿床矿层相互扰动关系与回采顺序

1.1 多层矿床矿层相互扰动关系

对于缓倾斜多层矿床，矿层倾角小于30°，岩石移动角一般大于矿层倾角，只能采用由上到下的开采顺序，一般采用房柱法［8］、分层充填法［9］、长壁式崩落法［10］等。

而对于倾斜—急倾斜多层矿床，当矿层倾角与岩石移动角差值较大(如图1)时，上、下层矿体之间制约性大，对矿山的安全生产影响大。矿床开采方式不同，相邻矿层的扰动影响关系必然不同。在开采这类矿体时，合理确定矿体的先后回采顺序、采矿方法等是至关重要的［7］。

图1 倾斜—急倾斜多层矿床矿层间扰动影响关系Fig.1 Disturbance relationship between adjacent mine stratums of tilt-steeply inclined multilayer deposits

在图1 中，上层矿体开采对下层矿体的扰动影响高度为H，下层矿体开采对上层矿体的扰动影响高度为h。可以看出:不论是倾斜矿层还是急倾斜矿层，扰动影响高度H 值普遍大于h，而且H 值变化范围较大，从几十米到数百米，如倾斜多层矿体，矿层平均倾角为55°，岩石移动角50°，矿层间距大于10 m 时，扰动影响高度大于117 m。而h 变化范围相对较小，从几米到几十米［7］。

1.2 多层矿床回采顺序

对于倾斜—急倾斜多层矿床的回采顺序，主要考虑3 个方面:①同层矿体不同阶段的回采顺序有上行开采和下行开采2 种方式［11］。在生产实际中，一般多用下行式开采顺序。上行式开采顺序仅在某些特殊条件下采用。②同一阶段内矿体的回采顺序，有上向开采和下向开采2 种方式。③同一阶段内多层矿体上、下层的回采顺序，有2 层矿同时从上至下、先上后下和先下后上开采3 种方式。另外，关于同阶段各矿层开采时在时间和空间的超前关系较多，这里基于同一阶段内矿体的回采顺序和矿体上、下层的先后回采顺序列出6 种不同的开采顺序:

(1)阶段内下向式开采，2 层矿同时开采。

(2)阶段内上向式开采，2 层矿同时开采。

(3)阶段内下向式开采，先上后下开采。

(4)阶段内上向式开采，先上后下开采。

(5)阶段内下向式开采，先下后上开采。

(6)阶段内上向式开采，先下后上开采。

只有当阶段高度小于扰动影响高度H，多层矿床才能采用上向式开采。如图2，阶段高度大于扰动影响高度h，小于扰动影响高度H，可以采用阶段式采矿方法，如留矿法［12］、阶段矿房法［13］等，先采矿体I后采矿体II，下层矿II 开采过程不会处于上层矿I 采空区移动范围内。此时，2 层矿体不能同时开采，也不能先采下层矿后采上层矿。

图2 上向式开采Fig.2 Upward mining

采用下向式开采时，扰动影响高度与阶段高度大小关系不同，相邻矿层安全开采顺序也会不一样。

2 2 层矿体同时从上至下开采

倾斜—急倾斜多层矿床2 矿层开采先后顺序不同，相邻矿层扰动影响关系不同，开采分层、分段数及超前关系也会有差异。2 层矿体按分段或分层同时从上至下开采，分段高度或分层高度不能大于h，即1个阶段内至少应划分m 个分段或分层，其中m 为阶段高度与扰动影响高度h 之比，此时各分层、分段在均匀下降过程中，同水平未采矿层必然处于相邻已采矿层采空区扰动范围外，从而保证矿床安全开采。

若2 层矿同时从上至下分层开采，如图3，在阶段内按矿体的垂直方向划分若干个分层，分层高度小于h，2 层矿从第1 分层并行开采下降至阶段底部，各分层在均匀下降过程中，同水平未采矿层必然处于相邻已采矿层采空区扰动范围外，此时阶段高度取值与扰动影响高度无关。矿山实际生产中回采分层高度一般为2.5 ～3 m，对倾斜—急倾斜多层矿山，当扰动影响高度h 大于2.5 ～3 m 时，理论上都可采用此开采顺序。根据文献［7］，扰动影响高度h 值一般大于3.7 ～5.4 m，大于矿山分层高度，因此不同赋存条件下的倾斜—急倾斜多层矿床都可以采用从上至下分层并行开采。

图3 2 层矿同时从上至下分层开采Fig.3 Simultaneously mining of two-layer ore body from top to bottom

若2 层矿同时从上至下分段开采，分段高度应小于h，目前矿山开采中分段高度一般为15 ～25 m。由文献［7］，倾斜—急倾斜多层矿床在岩石移动角γ1=60° ～75°，矿层倾角α2≤γ1+5°、矿层间距a ＞15 m时，h＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+15°、a＞15 m 时，h＞19.8 ～57.9 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a＞10 m 时，h＞14.8 ～29.2 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a＞20 m 时、h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+30°、a＞20 m 时，h＞20.8 ～40 m。这5 种赋存条件下扰动影响高度h 大于分段高度，可以采用从上至下分段并行开采，同阶段下部未采矿体始终处于相邻矿层采空区扰动范围外。对于岩石中等稳固以上的急倾斜多层厚矿体，选用分段矿房法开采，阶段高度取为60 m 时，矿体1 个阶段内最少应划分分段数为

m = 60/15 = 4，

其中，扰动影响高度取最小值，h=15 m。

值得注意的是，按分段或分层开采多层矿体时，只能采用下向式的开采顺序，阶段高度的选取与扰动影响高度无关，分层或分段高度始终小于扰动影响高度h，并行开采过程中下部未采矿体始终处于上部矿体采空区移动范围外，能较大地提高矿床开采的安全性;采用阶段采矿法时，既可以采用上向式也可以采用下向式，但阶段高度值必须小于扰动影响高度。

3 先开采上层矿后采下层矿

3.1 阶段高度小于H 时的安全回采顺序

一般情况下，倾斜—急倾斜多层矿体h 较小，阶段高度大于h。矿体在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+5°、a＞10 m 时，H＞117 ～129 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°，a＞5 m 时，H＞95 ～112 m;在γ1=45° ～60°，α2≤γ1+10°，a＞15 m 时，H＞87 ～95 m［7］。这3 种赋存条件阶段高度一般小于H，同一阶段内矿体采用下向式开采，可以采用阶段、分段或分层式采矿方法，如阶段矿房法或分段崩落法、分层充填法等。开采过程中可以先采完上层矿，后开采下层矿体或者先开采上层矿，后开采下层矿，上层矿超前下层矿任意个分层或分段，开采过程中下层未采矿体始终处于上层矿采空区扰动范围外。

3.2 阶段高度大于H 时的安全回采顺序

倾斜—急倾斜多层矿床，当γ1与α2差值很大时，扰动影响高度H 也较小，若选取的阶段高度大于H，同一阶段内矿体从下至上开采时，同阶段下层未采矿体必然处于上层矿采空区移动范围内，即不能采用阶段开采法，如留矿法、阶段矿房法等采矿方法，只能按分层或分段下向开采，开采过程中2 层矿可以同时开采，也可交替开采，但必须满足一定的超前关系:先采上层矿后采下层矿时，上层矿超前下层矿的回采高度不能大于H;先采下层矿后采上层矿时，下层矿超前上层矿的回采高度不能大于h。一般情况下，H值大于h，分段或分层开采时，先开采上层矿后采下层矿时可以采用高分段、高分层回采，分段、分层高度不应大于H，1 个阶段内至少应划分n 个分段(层)，其中n 为阶段高度与H 之比，此时先采上层矿后采下层矿，下层未采矿层必然处于上层已采矿层采空区扰动范围外。

矿体阶段内下向开采，先采上层矿后采下层矿时，若上层矿超前下层矿的回采高度大于H，下层矿的部分未采矿体必然处于上层矿采空区移动范围内，也就是说上层矿超前下层矿的最大回采高度为H。即上层矿开采超前下层矿至多n1个分段(层)，其中n1为H 与分段(分层)高度之比，此时各分层、分段开采时，相邻未采矿层必然处于已采矿层采空区扰动范围外。

如图4，在阶段内按矿体的垂直方向划分若干个分层，分层高度小于H，先开采上层矿1、2、3、4 分层，然后依次开采上、下矿层5、6、7……，上层矿开采过程中始终超前下层矿4 个分层，上层矿超前下层矿开采高度始终小于H，开采过程中下层未采矿体始终处于上层矿采空区扰动范围外。

图4 先开采上层矿后采下层矿Fig.4 Mining the lower ore after the upper ore

倾斜—急倾斜多层矿床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞5 m 时，H ＞11 ～12 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+25°、a ＞5 m 时，H ＞12 ～13 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞5 m 时，H ＞ 10 m［7］。这3 种赋存条件扰动影响高度H 小于分段高度，不能按分段开采，只能按分层先开采上层矿后采下层矿，此时有

n1= 10/2.5 = 4，

即上层矿开采最大可超于下层矿4 个分层，其中，扰动影响高度取最小值，H=10 m，分层高度取为2.5 m。

倾斜—急倾斜多层矿床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+10°、，a ＞5 m 时，H ＞29 ～32 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 时，H ＞32 ～37 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 20°、a ＞10 m 时，H ＞29 ～31 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 时，H ＞31 ～35 m［7］。这4 种赋存条件下可以按分段或分层开采，按分层先开采上层矿后采下层矿时，

n1= 29/2.5 = 11.6，

即上层矿开采最大可超于下层矿11 个分层，其中，扰动影响高度取最小值H=29 m，分层高度取为2.5 m。当2 层矿按分段开采时，

n1= 29/20 = 1.45，

即上层矿开采最大可超于下层矿1 个分段，其中，扰动影响高度取最小值H=29 m;分段高度取为20 m。

4 先开采下层矿后采上层矿

倾斜—急倾斜多层矿床阶段高度大于H，先开采下层矿后采上层矿时，分段、分层高度不应大于h，1个阶段内至少应划分m1个分段(层)，上层矿超前下层矿最大的开采高度为h，即上层矿开采超于下层矿至多m1个分段(层)，其中m1为扰动影响高度h 与分层(分段)高度之比，此时先采下层矿后采上层矿，上层未采矿层必然处于下层已采矿层采空区扰动范围外。

一般情况下多层矿体扰动影响高度h 较小［7］，先开采下层矿后采上层矿时应采用低分段低分层回采。如图5，在阶段内按矿体的垂直方向划分若干个分层，分层高度小于h，先开采下层矿1 分层，然后依次开采上、下矿层2、3、4、5、……，下层矿开采过程中始终超前上层矿1 个分层，下层矿超前上层矿开采高度始终小于h。

图5 先开采下层矿后采上层矿Fig.5 Mining the upper ore after the lower ore

倾斜—急倾斜多层矿床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+15°、a ＞10 m 时，h ＞8.3 ～13.2 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 时，h ＞8.9 ～14.8 m。这2 种赋存条件下扰动影响高度h 小于分段高度，因此不能按分段开采，只能按分层先开采下层矿后采上层矿，此时

m1= 8.3/2.5 = 3.32，

即下层矿开采最大可超于上层矿3 个分层，其中扰动影响高度取最小值h=8.3 m，分层高度取为2.5 m。

倾斜—急倾斜多层矿床在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 时，h ＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+15°、a ＞15 m 时，h ＞19.8 ～57.9 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 时，h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞20 m 时，h ＞20.8 ～40 m［7］。这4 种赋存条件下可以按分段或分层开采，按分层先开采下层矿后采上层矿时，

m1= 16.2/2.5 = 6.48，

即下层矿开采最大可超于上层矿6 个分层，其中:扰动影响高度取最小值，h=16.2 m;分层高度取为2.5 m。

若2 层矿按分段开采，分段高度应小于16.2 m，下层矿开采最大可超于上层矿1 个分段。

5 结 论

(1)不同赋存条件下的倾斜—急倾斜多层矿床都可以采用从上至下分层并行开采。在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+ 5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 这2 种赋存条件下可以采用从上至下分段并行开采。

(2)2 层矿体先开采上层矿后采下层矿，阶段高度小于H时，宜先采完上层矿，后开采下层矿体;阶段高度大于H 时，只能按分层或分段下向开采，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 或γ1为45° ～60°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 这2 种赋存条件下上层矿开采最大可超于下层矿11 个分层或1 个分段。

(3)2 层矿体先开采下层矿后采上层矿，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 15°、a ＞10 m 时不能按分段开采，只能按分层先开采下层矿后采上层矿，下层矿开采最大可超于上层矿3 个分层;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a ＞20 m，这2 种赋存条件下层矿开采最大可超于上层矿6 个分层或1 个分段。

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