某锂矿进路分层开采对顶板上覆岩层稳定性的影响

刘顺斌，邓 柯，吴 东

(1.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100；3.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

某锂矿床属钠长花岗伟晶岩型锂矿床。区内地形坡度变化大，一般22°～45°。矿体倾角57°～85°，最大埋深241 m，矿体厚度为3.43～22.43 m。该矿区地处深切高—极高山区，地形坡度22°～45°左右。矿区内锂矿体赋存于花岗岩脉中。矿体周边围岩主要为二云石英片岩、黑云石英角岩、红柱二云石英片岩等。

建设单位已施工了一些坑探工程，从目前工程揭露的情况来看，矿体及围岩的稳固性差，易风化，尤其遇水后，岩体易于崩解破碎，巷道自稳困难，井巷工程需大面积的支护。

鉴于以上实际情况分析，该矿山采矿方法采用上向进路充填法。进路充填采矿法作为开采节理裂隙发育矿体常用方法，由于其在提高矿石回收效果、降低贫化率、控制采场地压、维持采场稳定和控制地表沉降及塌陷方面的良好效果，更是受到高价值矿石以及地表需要严格保护的矿山重视和欢迎。

为此，针对该锂矿所赋存的岩体破碎复杂的工程地质条件，根据其赋存条件、岩体力学性质特性、采场分布等基本情况，建立进路法三维数值模拟计算模型，分1步骤和2步骤开采来分析采空区未充填、充填后围岩、充填体及顶底板的塑性区分布规律和位移变形趋势，为矿山后续的安全生产提供保障。

1 采场结构尺寸与采矿方法工艺

对于沿走向布置上向进路充填法，1个矿块可分为2次完成回采，如前所述，矿块内沿走向划分为2条进路，进路宽度3～4 m，先回采上盘1步骤进路，再回采下盘的2步骤进路。由于1个矿块分2次完成回采，单次回采进路尺寸可考虑3～4 m宽，高3.75 m。

上向进路充填法1步骤采空区胶结充填结束养护完毕后2步骤才能进行开采。1步骤进路底层充填体灰砂比为1：5，充填高度3.15 m；2步骤进路底层灰砂比为1：20，充填高度3.15 m；各步骤高强度面层满足铲运机运行要求，采用灰砂比1：4～1：8的充填体进行充填，充填高度0.6 m，强度要求14天大于2 MPa。

采场回采顺序：上向进路充填法1步骤采空区充填结束养护完毕后2步骤才能进行开采。1个矿块沿走向内布置2条进路，分2步骤回采。由于每一个矿块内设置了2条回采联道，每个步骤可以由回采联道对应的2边进路组成1个回采单元，1个矿块内有2个回采单元，1个回采单元按同一工序进行作业，即1个回采单元先进行凿岩爆破，另一个回采单元进行出矿。

该次采场稳定性数值模拟采用的岩体物理力学参数结果见表1。

表1 岩体物理力学参数取值表

2 计算模型的建立

业隆沟地下基建首采矿段标高4 010～4 100 m，距离地表埋深平均150 m左右。该次模拟计算采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型，最终生成的上向进路分层充填法模型见图1。采用三维岩土数值分析软件FLAC3D进行进路分层开采对顶板上覆岩层稳定性计算分析。

图1 分层进路法采场结构模型

采场结构尺寸：中段高度90 m，分段高度15 m，矿块沿走向划分和布置，矿块长80 m，矿块间留设间柱；同时对于大于8 m的厚矿体，矿块采场中间位置也留设1间柱来控制采场地压，间柱宽度尺寸为4 m，中段间留设1个分层高度的矿柱。回采进路垂直矿体走向布置，盘区由21条回采进路组成，进路断面尺寸为(3.5～4)m×3.75 m，回采长度为矿体厚度，中段间由下往上进行回采。

3 进路分层开采对顶板上覆岩层稳定性计算分析

矿体开挖形成采空区后，围岩应力遭受重新分布，引起围岩和矿柱应力集中，稳定模拟结果分析如下：

(1)顶板塑性区分布云图见图2、图3。可以看出：矿体1、2步骤逐层回采+充填交替均匀向上，采场进路顶板塑性扰动区只是零星分布，未形成连片大量的塑性扰动区，对进路作业顶板稳定性影响不大，只是在分层下盘边界角隅处产生了一小部分塑性区，那是因为该位置正好是压应力集中的区域。

(2)从图2、图3可以看出：分层角隅处作业顶板塑性区高度大约为3.75 m，塑性区高度不大，说明每次分层开采造成作业顶板产生的塑性区高度是有限的，说明采用上向分层进路充填法采矿，巷道空区跨度小，及时充填后，这样使采空区及时得到支撑，限制围岩和矿柱变形的发展，极大地保证了工作面的安全以及降低了顶板岩层的下沉程度，上向分层进路充填法能够维护顶板上覆岩层的稳定，具有一定的可行性和安全保障性。

图2 3.75 m高的分层开挖后，采场周边围岩塑性区分布云图(走向剖面)

图3 3.75 m高的分层开挖后，采场周边围岩塑性区分布云图(剖面)

(3)顶板岩层整体下沉位移变形云图，见图4、图5。可以看出：采空区顶板的变形基本呈现拱形效应，分段开采后，直接顶板整体最大下沉位移值为1.6 cm，顶板下沉变形量很小，说明顶板上覆岩层不会发生冒落，只是局部掉块或小塌方现象会有可能发生，但是顶板上覆岩层整体大面积冒落不会发生，由此可见，分层进路矿体开挖后，加上及时充填，不会对顶板上覆岩层的稳定性产生影响，上覆岩层整体是稳定的，能够满足采场作业的安全。

图5 3.75 m高的分层开挖后，顶板岩层整体下沉位移变形云图(剖面)

4 结 语

该锂矿矿脉中厚，岩体易于风化破碎，围岩稳固性差，顶板允许暴露的面积非常有限，故而采用上向进路充填采矿法，实现有效控制采场地压，控制顶板上覆岩层下沉变形，保障了回采工作面的人员作业的安全。通过以上FLAC3D数值模拟研究分析得出以下结论：(1)合理的采场跨度对于井下矿产资源高效、安全开采至关重要，得到了该矿区采场的位移场及塑性区扩展规律。模拟分析结果显示，在该矿山工程地质条件差的情况下，4 m为采场进路的极限跨度，超过4 m顶板就会发生破坏，建议现场进路跨度不得超过4 m，这样将能够满足采场围岩整体稳定。

(2)矿体采用分层进路充填法开挖后，采场周边围岩产生的塑性区分布是很少且有限的，未波及到地表，不会对地表稳定产生影响，说明该进路充填法能有效地控制采场地压，保障工作面的安全，实现维护好采空区周边围岩和地表的稳定。

(3)进路法采场顶板下沉变形量较小，跨度小，可控制进路采场顶板下沉变形，实现了采场周边围岩自稳能力，由此可见：进路充填采矿法作为开采节理裂隙发育的矿体是一种非常行之有效的方法。

(4)现场工业试验表明，采用分层进路法后，矿石损失率和贫化率明显很低，出矿效率高，效果良好，实现了矿山的安全、高效、经济开采。