红岭铅锌矿岩层移动角与移动带预测研究∗

常兴建

(赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司, 内蒙古赤峰市 025400)

红岭铅锌矿岩层移动角与移动带预测研究∗

常兴建

(赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司, 内蒙古赤峰市 025400)

为了揭示红岭铅锌矿岩层移动规律,综合采用工程类比法、前苏联矿山研究所推荐的岩层移动角计算方法和人工BP神经网络预测方法,对红岭铅锌矿锌1号矿体、锌

1－1号矿体以及锌2号矿体上盘、下盘以及走向岩层移动角进行了预测研究,并圈定了红岭铅锌矿崩落开采岩层移动范围,研究结果为红岭铅锌矿实现安全高效回采提供了理论依据。

岩层移动角;岩层移动带;开采沉陷;安全措施

赤峰山金红岭铅锌矿用空场法开采,由于采空区没有充填,不仅造成地表塌陷,上下盘岩层移动,影响竖井和地表建筑安全,而且破坏生态环境。因此,有必要针对红岭铅锌矿开采特征,研究岩层移动规律,为矿山安全决策提供科学依据。

金属矿开采过程中,必然会形成数量庞大的采空区,这些采空区的上覆岩层在自重、构造应力以及开采扰动作用下会产生多种形式的破坏,如跨落、断裂、离层、弯曲等,进而发展到地表形成一定区域内的地表塌陷[1-2]。煤矿床是赋存相对规则的水平煤层,通常用综放式开采,而在金属矿床中赋存条件复杂,矿体形状是不规则的,且呈现分支复合现象,因而矿床采后形成的空区形状和尺寸千差万别[3-4],同时金属矿床存在复杂的地质构造,致使一些用于煤层开采的地表沉陷、岩层移动等理论难以适用于地下金属矿床,金属矿山开采的岩层沉陷机理、地表移动规律等理论研究仍处于起步阶段[5-10]。为此,本文针对红岭铅锌矿矿体倾角陡、产状不稳定、存在分支复合等复杂开采技术特征,综合采用工程类比法、前苏联矿山岩层移动角计算方法和人工BP神经网络预测方法,对红岭铅锌矿上盘、下盘以及走向岩层移动角进行了预测研究,圈定了岩层移动影响范围,探索了矿床开采对竖井和地表建筑的影响,为矿山实现安全开采提供了基础。

1 红岭铅锌矿开采技术条件

红岭铅锌矿存在两个平行的大理岩层位并由此形成了两个含矿带,分别为南含矿带和北含矿带。矿带自东向西共分5个矿段,主要工业矿体赋存于Ⅲ矿段内,共圈出3个主要锌矿体,即锌1号矿体、锌1－1号矿体以及锌2号矿体,1号矿体位于1－1号矿体下盘,1－1号矿体位于1号上盘2号下盘。3个锌矿体开采技术条件见表1。

表1 锌矿体开采技术条件

2 红岭铅锌矿岩层移动角预测

为了确定红岭铅锌矿岩层移动角,综合采用工程类比法、全苏矿山研究所推荐的岩层移动角参数计算法和人工BP神经网络预测方法确定红岭铅锌矿锌1号矿体、锌1－1号矿体以及锌2号矿体上盘、下盘以及走向岩层移动角。

2.1 工程类比法

工程类比法是在调查研究相类似工程研究经验的基础上,通过类比分析,得出相应工程的研究结果或参数的方法,是目前最常采用的一种方法,因此本文首先用工程类比法研究红岭铅锌矿岩层移动角。通过调研和查阅国内外矿山相关工程实例,分析各矿山开采技术参数,如岩体普氏系数、矿床地质构造、矿体赋存产状等特征参数,与红岭铅锌矿开采技术条件相比较。研究发现,红岭铅锌矿的岩性特征、矿体赋存条件以及工程地质特征与国内武山铜矿、小铁山铅锌矿和前苏联某矿山相似,通过工程类比,分析得出红岭铅锌矿锌1号矿体、锌1－1号矿体以及锌2号矿体开采上盘、下盘及走向岩层移动角见表2。

表2 基于工程类比法的红岭铅锌矿各矿体岩层移动角

2.2 前苏联矿山研究所推荐的岩层移动角计算方法

前苏联矿山研究所推荐的岩层移动角计算方法较为简便适用。该计算方法将岩体按赋存特征分为两种[11],一种为层状岩体矿床,另一种为非层状岩体矿床。对于非层状岩体矿床,该计算法在矿床分类和岩移分类的基础上提出的经验计算公式如下:

式中,δp为下盘岩层移动角;βp为上盘岩层移动角; δ为走向岩层移动角;当f＜5时,α≤60°,f≥5时, α≤65°。

根据红岭铅锌矿各矿体所对应的围岩力学参数,用式(1)～式(3)计算,分别确定各勘探线剖面上的岩层移动角参数。其中,各矿体所取勘探线剖面普氏系数见表3。将所得各平均值作为矿区锌1、1－1以及2号矿体的岩石移动角参数,计算结果见表4。

表3 红岭铅锌矿各矿体所对应勘探线普氏系数

表4 基于全苏矿山研究所确定的红岭铅锌矿岩层移动角

2.3 基于人工BP神经网络的地表移动角预测研究

人工神经网络是基于人脑神经系统形成的一种计算方法,神经元将神经细胞用一个多输入单输出的非线性节点来表示[12]。人工BP神经网络通常采用一个3层前馈网络,其结构见图1。

图1 BP3层前馈神经网络

(1)生成网络学习样本。根据红岭铅锌矿开采技术特征,按照重要性和独立性原则,选取6个影响因素作为红岭铅锌矿开采岩层移动角预测神经网络模型的输入,6个因素分别为:矿床上下盘围岩性质、矿床开采深度、矿体厚度、矿体倾角、上下盘围岩稳固程度。通过大量分析总结国内外矿山崩落采矿岩层移动工程实践资料和相关文献资料,整理数据如表5所示。

(2)网络训练与计算结果。对计算数据进行归一化处理,采用traingdx函数训练BP神经网络,网络训练566次后,达到了期望误差0.0001,网络收敛,形成了神经网络计算模型。根据所建立的神经网络预测模型对赤峰山金红岭铅锌矿岩层移动角进行预测,具体结果为:锌1号矿体上盘移动角56.8°,下盘移动角68.3°,走向移动角62.8°;锌1－1号矿体上盘移动角50.1°,下盘移动角70.7°,走向移动角63.3°;锌2号矿体上盘移动角51.6°,下盘移动角70.2°,走向移动角63.4°。

2.4 红岭铅锌矿岩层移动角计算结果

将工程类比法、前苏联矿山研究所推荐的岩层移动角计算方法和人工BP神经网络方法3种方法的计算结果取平均值,得到红岭铅锌矿岩层移动角(见表6)。

表5 国内外部分崩落法矿山地表移动资料

表6 红岭铅锌矿岩层移动角计算结果

根据表6所求得的红岭铅锌矿上下盘岩层移动角,在各勘探线剖面按移动角作图,得到各剖面线上下盘岩层移动线,从而得到地表与岩层移动线的交点,依次连接各点得到矿床开采地表移动带,如图2所示。

图2 红岭铅锌矿地表移动带

3 结 论

为确定红岭铅锌矿岩层移动角,采用工程类比法、前苏联矿山研究所岩层移动角计算方法和人工神经网络方法,分析计算出各种方法的红岭铅锌矿开采上盘、下盘和走向岩层移动角,对3种方法的计算结果综合分析,得出红岭铅锌矿锌1号矿体上盘岩层移动角55.7°、下盘岩层移动角66°、走向岩层移动角68.3°;锌1－1号矿体上盘岩层移动角52.8°、下盘岩层移动角68.7°、走向岩层移动角68.2°;锌2号矿体上盘岩层移动角54°、下盘岩层移动角69.6°、走向岩层移动角68°。用计算得出的岩层移动角圈定了红岭铅锌矿崩落开采岩层移动范围,研究结果为红岭铅锌矿实现安全回采提供了科学依据。

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2017-01-25)

常兴建(1966－),男,内蒙古赤峰人,工程师,主要从事采矿技术及管理工作,Email:342097076＠qq.com。

国家自然科学基金项目(51674288).