石膏矿层合并开采参数确定及稳定性分析

李树涛　李　洪

(1.山东鑫国煤电有限责任公司汶阳石膏矿；2.山东科技大学资源与土木工程系)



石膏矿层合并开采参数确定及稳定性分析

李树涛1李洪2

(1.山东鑫国煤电有限责任公司汶阳石膏矿；2.山东科技大学资源与土木工程系)

摘要大汶口石膏矿区2Ⅱ、2Ⅲ膏层间距仅1.5 m，仅采其中一层，弃采另一层，当矿层变薄后，面临着两层均失去开采价值的严重后果。由于层间距近，合并开采是解决膏层变薄单层不可采的最佳方法，但该2个分层合并开采将使得采高增加较多，对采空区的稳定性将造成重大影响，而大汶口矿区石膏矿层开采受水威胁(上覆含水层)严重，采空区的稳定至关重要。针对大汶口矿区汶阳石膏矿2Ⅱ和2Ⅲ膏层，运用弹塑性理论，分析计算得到合并开采的合理开采参数为矿房宽度4 m，矿柱宽度9 m，最大采高9.0 m。数值模拟结果表明：合并开采后矿柱所承受的最大垂直应力及水平拉应力均远小于矿层强度指标，矿房顶底板及两帮的变形分别仅为11，2 mm。开采参数的合理确定以及数值模拟结果对于确保该2个分层矿体的安全高效开采有一定的参考价值。

关键词石膏矿合并开采矿房矿柱弹塑性理论开采参数数值模拟

山东大汶口矿区具有十分丰富的石膏储量，具有开采价值的石膏矿层分别为2Ⅱ、2Ⅲ、3Ⅱ、5膏层。2Ⅱ和2Ⅲ膏层的平均层间距为1.5 m。由于距离较小，按照《石膏矿山安全规程》(DB 37/1024—2008)，仅能开采其中一层，另一层无法开采，资源浪费十分严重；更为严重的是在矿层变薄带，无论2Ⅱ或2Ⅲ膏层均无开采价值，但却无法放弃开采，否则会带来严重的生产接续问题，但若开采其中一层，企业经济效益将受到严重影响。为此，本研究针对大汶口矿区汶阳石膏矿层间距低于2.0 m的2Ⅱ、2Ⅲ膏层存在的开采难题，对合并开采方案进行探讨，并确定合并开采的矿房、矿柱参数，确保矿房、矿柱的安全高效生产。

1工作面概况

位于大汶口矿区西南部的汶阳石膏矿年生产能力30万t，为第四系覆盖区，石膏矿层赋存于官庄群大汶口组二段上部，呈向斜构造，两翼倾角4°～7°。该矿2Ⅱ、2Ⅲ膏层平均厚度分别为5.3，5.4 m，平均层间距为1.5 m，膏层顶板岩性以泥岩、页岩为主，夹少量砂岩，顶板的工程地质稳定性较差，底板岩性为泥岩、泥灰岩夹页岩，稳固性较差。由于特殊的地理位置以及上覆岩层的富含水性，矿层开采后上覆岩层不允许垮落，也不允许地表下沉，采空区须确保长期稳定可靠。因此，采矿方法一直采用浅孔连续矿柱房柱法。合并开采前膏房宽度4 m，膏柱5 m，采高4～5 m，护顶膏厚度不小于1.5 m，护底膏厚度不小于1.0 m。矿房、矿柱布置如图1所示。

图1　大汶口石膏矿区房柱法开采矿房矿柱布置

根据《石膏矿山安全规程》(DB 37/1024—2008)，层间距不超过2.0 m的汶阳石膏矿2Ⅱ、2Ⅲ膏层仅能采其中一层，但2Ⅱ、2Ⅲ膏层平均厚度分别为5.3、5.4 m，除去至少保留的1.5～2.0 m厚的护顶膏层以及1.0 m厚的护底膏层，实际采高均不足3.0 m。无论开采2Ⅱ膏层或2Ⅲ膏层，不仅经济效益差，而且工作面现有的装载设备由于高度太小无法发挥作用；若放弃开采2Ⅱ、2Ⅲ膏层，则矿井生产无法接续。汶阳石膏矿2Ⅲ膏层上覆各层岩性特征见表1，物理力学性质见表2。

2合并开采方案

2.1方案确定

由于汶阳石膏矿2Ⅱ、2Ⅲ膏层变薄，单层失去开采价值，但由于两者间层间距较小，最大仅1.5 m，因将2Ⅱ、2Ⅲ膏层合并开采。合并开采后，包括2Ⅱ、2Ⅲ膏层之间的泥、页岩在内的总厚度为12.2 m，考虑到变薄和安全因素，初步确定最大采高为9.0 m。开采方法为炮采，不支护，合并开采时首先掏2Ⅱ、2Ⅲ膏层中间的夹石层，然后放出顶板膏，放顶板膏层时应确保至少留足厚1.5 m的护顶膏层，出完顶板膏层后再起底板膏层，同样，起底板膏层时应确保留足至少厚1.0 m的护底膏层，同时确保连同夹石层在内的膏房总高度不超过9.0 m。为确保采空区长期稳定不垮塌，大汶口矿区石膏矿多来年一直采用浅孔连续矿柱法开采，合理的矿房、矿柱尺寸是确保采空区稳定的关键因素。

表1　2Ⅲ膏层上覆岩层特征

表2　岩层物理力学特征

2.2矿房安全跨度计算

据图1所示的汶阳石膏矿矿房布置方式，矿房极限跨距计算公式为[1]

(1)

式中，l为矿房安全跨距，m；h为护顶膏层厚度，m；R为膏层许用抗拉强度，MPa；q为矿房顶板承受的载荷，kN/m2。

由于上覆岩层由多层岩层组成，矿房顶板承受荷载(q)的大小须根据上覆各层间的互相影响确定。根据弹性力学理论，护顶膏层承受载荷(qn)的计算公式为[2]

(2)

式中,n为层数为膏体层数；E1、E2、E3、…、En分别为上覆各层的弹性模量，GPa；h1、h2、h3、…、hn分别为上覆各膏体层的厚度，m；γ1、γ2、γ3、…、γn分别为上覆各膏体层的重力密度，g/cm3。

合并的2Ⅱ+Ⅲ膏层厚1.5 m的护顶膏层仅需承担自重及上覆厚1.21 m的页岩重量，于是护顶膏层承受载荷为47.52 kN/m2，据式(1)，计算得出矿房的安全跨距为4.9 m。结合多年开采实践，本研究确定矿房安全开采跨距为4 m。

2.3矿柱宽度计算

矿柱受力后，在矿柱周边形成了一定范围的塑性区，若保证矿柱稳定，须确保有1个足够宽度的未受扰动的柱核区。塑性区宽度计算公式为

(3)

式中，M为采房高度，取9.0 m；tanβ=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ为矿柱岩层内摩擦角，(°)；K为支撑压力峰值处的应力集中系数，取3；H为埋藏深度，m，取最大埋深300 m；σs为矿柱抗压强度，MPa。

经式(3)计算，x0为1.6 m，因此能够确保稳定的矿柱宽度为5.2～6.2 m。根据《石膏矿山安全规程》(DB 37/1024—2008)，本研究确定合并后2Ⅱ+Ⅲ膏层的矿柱宽度为9.0 m。

3矿房矿柱稳定性模拟分析

采用FLAC3D3.0软件进行模拟分析，模型长104 m，宽100 m，高92.02 m。其中，沿Z轴正方向由下至上岩层分别为泥岩(9.66 m)、泥灰岩(6.2 m)、2Ⅱ+Ⅲ石膏层(12.2 m)、页岩(1.26 m)、泥岩(8.23 m)、页岩(1.66 m)、2Ⅰ石膏层(3.5 m)、页岩(2.0 m)、1石膏层(3.5 m)、泥岩(32 m)、泥灰岩(11.5 m)。模拟开采深度为2膏层的最大开采深度(300 m)，模型高度92.02 m，开采高度9.0 m，底板方向高度15.86 m，顶板方向高度67.7 m，模型顶端上方厚232.3 m的岩层的重量通过载荷的方式施加于模型上。相关模拟结果见图2、图3。

图2　2Ⅱ+Ⅲ开采矿柱应力分布云图

图3　2Ⅱ+Ⅲ合并开采矿柱塑性图

由图2可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏层合并开采的最大矿柱垂直应力为9.37MPa，远小于试验得到的2Ⅱ、2Ⅲ膏层的平均单轴抗压强度24.6MPa。由图3可知：最大水平拉应力出现在矿柱垂直方向的中间部位，最大约0.73MPa，小于2Ⅱ、2Ⅲ膏层平均抗压强度1.56MPa。由图2、图3进一步分析可知：2Ⅱ、2Ⅲ膏间有厚1.2～1.5m的泥岩夹层，在矿柱边界处，泥岩和泥岩附近的石膏出现了张拉和剪切塑性破坏，深度1～2m，塑性破坏区域并未失去垂直方向应力的承载能力，处于塑性强化阶段，应加强支护并尽量封闭围岩，使其免受风化而失去承载力，使塑形区向矿柱内部扩展。根据布置于矿房顶底板及侧两帮的位移量监测结果，顶底板移近量约11mm，侧帮移近量为2mm。综上所述，大汶口石膏矿矿房宽度取4m、矿柱宽度取9m较合理。

4结语

为有效开采大汶口矿区汶阳石膏矿2Ⅱ、2Ⅲ膏层，针对膏层特征，制定了合并开采方案并确定了合理的开采参数，并对矿房矿柱稳定性进行了模拟分析。结果表明，本研究确定的合并开采参数较合理，该方案自2014年4月底实施，截止目前，已采出矿石35万t，顶底板最大变形量仅7.9 mm，成效较显著，可供类似矿山参考。

参考文献

[1]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

(收稿日期2015-12-03)

李树涛(1981—)，男，总工程师，工程师，271606 山东省肥城市汶阳镇高杭村。