胡 倩 葉義成 柯麗華 王其虎

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢430081;2.湖北省頁巖釩資源高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430081)

礦山開采中，不同的回采順序?qū)Σ蓤龊蛧鷰r的應(yīng)力場、位移場以及穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響［1］。多層排列礦床，上、下礦層逐次采動，多中段同時作業(yè)均對其鄰近礦層形成應(yīng)力擾動［2］。礦層回采順序不同，礦層擾動影響差別很大。通過合理調(diào)整礦層的回采順序，可以顯著改變開挖后圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高采場的穩(wěn)定性和回采工作面的安全性。許多學者對多層礦床回采擾動影響進行了研究。池秀文［3］結(jié)合巖梁和巖石力學、材料力學理論，探討了多層礦床頂板巖層與其相鄰的礦層厚度比對頂板穩(wěn)定性的影響，為判斷頂板穩(wěn)定性和開采相互影響提供了理論依據(jù)。針對急傾斜近距離煤層群，李良林［4］從理論和實踐中分析了礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律，總結(jié)出不同狀況下開采時煤層相互之間的礦壓顯現(xiàn)和互相影響程序，提出了巷道布置方式及其對應(yīng)的開采順序。郝雁斌［5］針對近距離多煤層，對不同的煤層開采順序方案進行數(shù)值模擬，從頂?shù)?、板位移、頂?shù)装鍛?yīng)力分布等方面分析了不同方案的巖層垮落情況和煤層間回采擾動程度，從而確定了合理的煤層開采順序。張緒言［6］利用數(shù)值模擬方法，對極近距離煤層群開采時不同開采順序?qū)ο聦用合锏绹鷰r的應(yīng)力影響進行了分析。這些研究通過分析圍巖應(yīng)力、位移等分布狀態(tài)對多層礦回采擾動影響進行了探索，而從理論上確定多層礦床礦層間回采擾動影響范圍，調(diào)整階段中相鄰礦層的回采順序的研究還不多見。

本研究針對多層礦床開采過程中礦層間相互擾動影響關(guān)系，分析擾動影響高度［7］對階段中相鄰礦層安全回采順序的影響?；陔A段高度與擾動影響高度的大小關(guān)系分類，探討2 層礦體同時從上至下、先上后下和先下后上開采時，相鄰2 礦層的超前關(guān)系及安全回采順序。

1 多層礦床礦層相互擾動關(guān)系與回采順序

1.1 多層礦床礦層相互擾動關(guān)系

對于緩傾斜多層礦床，礦層傾角小于30°，巖石移動角一般大于礦層傾角，只能采用由上到下的開采順序，一般采用房柱法［8］、分層充填法［9］、長壁式崩落法［10］等。

而對于傾斜—急傾斜多層礦床，當?shù)V層傾角與巖石移動角差值較大(如圖1)時，上、下層礦體之間制約性大，對礦山的安全生產(chǎn)影響大。礦床開采方式不同，相鄰礦層的擾動影響關(guān)系必然不同。在開采這類礦體時，合理確定礦體的先后回采順序、采礦方法等是至關(guān)重要的［7］。

圖1 傾斜—急傾斜多層礦床礦層間擾動影響關(guān)系Fig.1 Disturbance relationship between adjacent mine stratums of tilt-steeply inclined multilayer deposits

在圖1 中，上層礦體開采對下層礦體的擾動影響高度為H，下層礦體開采對上層礦體的擾動影響高度為h?？梢钥闯?不論是傾斜礦層還是急傾斜礦層，擾動影響高度H 值普遍大于h，而且H 值變化范圍較大，從幾十米到數(shù)百米，如傾斜多層礦體，礦層平均傾角為55°，巖石移動角50°，礦層間距大于10 m 時，擾動影響高度大于117 m。而h 變化范圍相對較小，從幾米到幾十米［7］。

1.2 多層礦床回采順序

對于傾斜—急傾斜多層礦床的回采順序，主要考慮3 個方面:①同層礦體不同階段的回采順序有上行開采和下行開采2 種方式［11］。在生產(chǎn)實際中，一般多用下行式開采順序。上行式開采順序僅在某些特殊條件下采用。②同一階段內(nèi)礦體的回采順序，有上向開采和下向開采2 種方式。③同一階段內(nèi)多層礦體上、下層的回采順序，有2 層礦同時從上至下、先上后下和先下后上開采3 種方式。另外，關(guān)于同階段各礦層開采時在時間和空間的超前關(guān)系較多，這里基于同一階段內(nèi)礦體的回采順序和礦體上、下層的先后回采順序列出6 種不同的開采順序:

(1)階段內(nèi)下向式開采，2 層礦同時開采。

(2)階段內(nèi)上向式開采，2 層礦同時開采。

(3)階段內(nèi)下向式開采，先上后下開采。

(4)階段內(nèi)上向式開采，先上后下開采。

(5)階段內(nèi)下向式開采，先下后上開采。

(6)階段內(nèi)上向式開采，先下后上開采。

只有當階段高度小于擾動影響高度H，多層礦床才能采用上向式開采。如圖2，階段高度大于擾動影響高度h，小于擾動影響高度H，可以采用階段式采礦方法，如留礦法［12］、階段礦房法［13］等，先采礦體I后采礦體II，下層礦II 開采過程不會處于上層礦I 采空區(qū)移動范圍內(nèi)。此時，2 層礦體不能同時開采，也不能先采下層礦后采上層礦。

圖2 上向式開采Fig.2 Upward mining

采用下向式開采時，擾動影響高度與階段高度大小關(guān)系不同，相鄰礦層安全開采順序也會不一樣。

2 2 層礦體同時從上至下開采

傾斜—急傾斜多層礦床2 礦層開采先后順序不同，相鄰礦層擾動影響關(guān)系不同，開采分層、分段數(shù)及超前關(guān)系也會有差異。2 層礦體按分段或分層同時從上至下開采，分段高度或分層高度不能大于h，即1個階段內(nèi)至少應(yīng)劃分m 個分段或分層，其中m 為階段高度與擾動影響高度h 之比，此時各分層、分段在均勻下降過程中，同水平未采礦層必然處于相鄰已采礦層采空區(qū)擾動范圍外，從而保證礦床安全開采。

若2 層礦同時從上至下分層開采，如圖3，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個分層，分層高度小于h，2 層礦從第1 分層并行開采下降至階段底部，各分層在均勻下降過程中，同水平未采礦層必然處于相鄰已采礦層采空區(qū)擾動范圍外，此時階段高度取值與擾動影響高度無關(guān)。礦山實際生產(chǎn)中回采分層高度一般為2.5 ～3 m，對傾斜—急傾斜多層礦山，當擾動影響高度h 大于2.5 ～3 m 時，理論上都可采用此開采順序。根據(jù)文獻［7］，擾動影響高度h 值一般大于3.7 ～5.4 m，大于礦山分層高度，因此不同賦存條件下的傾斜—急傾斜多層礦床都可以采用從上至下分層并行開采。

圖3 2 層礦同時從上至下分層開采Fig.3 Simultaneously mining of two-layer ore body from top to bottom

若2 層礦同時從上至下分段開采，分段高度應(yīng)小于h，目前礦山開采中分段高度一般為15 ～25 m。由文獻［7］，傾斜—急傾斜多層礦床在巖石移動角γ1=60° ～75°，礦層傾角α2≤γ1+5°、礦層間距a ＞15 m時，h＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+15°、a＞15 m 時，h＞19.8 ～57.9 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a＞10 m 時，h＞14.8 ～29.2 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a＞20 m 時、h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+30°、a＞20 m 時，h＞20.8 ～40 m。這5 種賦存條件下擾動影響高度h 大于分段高度，可以采用從上至下分段并行開采，同階段下部未采礦體始終處于相鄰礦層采空區(qū)擾動范圍外。對于巖石中等穩(wěn)固以上的急傾斜多層厚礦體，選用分段礦房法開采，階段高度取為60 m 時，礦體1 個階段內(nèi)最少應(yīng)劃分分段數(shù)為

m = 60/15 = 4，

其中，擾動影響高度取最小值，h=15 m。

值得注意的是，按分段或分層開采多層礦體時，只能采用下向式的開采順序，階段高度的選取與擾動影響高度無關(guān)，分層或分段高度始終小于擾動影響高度h，并行開采過程中下部未采礦體始終處于上部礦體采空區(qū)移動范圍外，能較大地提高礦床開采的安全性;采用階段采礦法時，既可以采用上向式也可以采用下向式，但階段高度值必須小于擾動影響高度。

3 先開采上層礦后采下層礦

3.1 階段高度小于H 時的安全回采順序

一般情況下，傾斜—急傾斜多層礦體h 較小，階段高度大于h。礦體在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+5°、a＞10 m 時，H＞117 ～129 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°，a＞5 m 時，H＞95 ～112 m;在γ1=45° ～60°，α2≤γ1+10°，a＞15 m 時，H＞87 ～95 m［7］。這3 種賦存條件階段高度一般小于H，同一階段內(nèi)礦體采用下向式開采，可以采用階段、分段或分層式采礦方法，如階段礦房法或分段崩落法、分層充填法等。開采過程中可以先采完上層礦，后開采下層礦體或者先開采上層礦，后開采下層礦，上層礦超前下層礦任意個分層或分段，開采過程中下層未采礦體始終處于上層礦采空區(qū)擾動范圍外。

3.2 階段高度大于H 時的安全回采順序

傾斜—急傾斜多層礦床，當γ1與α2差值很大時，擾動影響高度H 也較小，若選取的階段高度大于H，同一階段內(nèi)礦體從下至上開采時，同階段下層未采礦體必然處于上層礦采空區(qū)移動范圍內(nèi)，即不能采用階段開采法，如留礦法、階段礦房法等采礦方法，只能按分層或分段下向開采，開采過程中2 層礦可以同時開采，也可交替開采，但必須滿足一定的超前關(guān)系:先采上層礦后采下層礦時，上層礦超前下層礦的回采高度不能大于H;先采下層礦后采上層礦時，下層礦超前上層礦的回采高度不能大于h。一般情況下，H值大于h，分段或分層開采時，先開采上層礦后采下層礦時可以采用高分段、高分層回采，分段、分層高度不應(yīng)大于H，1 個階段內(nèi)至少應(yīng)劃分n 個分段(層)，其中n 為階段高度與H 之比，此時先采上層礦后采下層礦，下層未采礦層必然處于上層已采礦層采空區(qū)擾動范圍外。

礦體階段內(nèi)下向開采，先采上層礦后采下層礦時，若上層礦超前下層礦的回采高度大于H，下層礦的部分未采礦體必然處于上層礦采空區(qū)移動范圍內(nèi)，也就是說上層礦超前下層礦的最大回采高度為H。即上層礦開采超前下層礦至多n1個分段(層)，其中n1為H 與分段(分層)高度之比，此時各分層、分段開采時，相鄰未采礦層必然處于已采礦層采空區(qū)擾動范圍外。

如圖4，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個分層，分層高度小于H，先開采上層礦1、2、3、4 分層，然后依次開采上、下礦層5、6、7……，上層礦開采過程中始終超前下層礦4 個分層，上層礦超前下層礦開采高度始終小于H，開采過程中下層未采礦體始終處于上層礦采空區(qū)擾動范圍外。

圖4 先開采上層礦后采下層礦Fig.4 Mining the lower ore after the upper ore

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞5 m 時，H ＞11 ～12 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+25°、a ＞5 m 時，H ＞12 ～13 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞5 m 時，H ＞ 10 m［7］。這3 種賦存條件擾動影響高度H 小于分段高度，不能按分段開采，只能按分層先開采上層礦后采下層礦，此時有

n1= 10/2.5 = 4，

即上層礦開采最大可超于下層礦4 個分層，其中，擾動影響高度取最小值，H=10 m，分層高度取為2.5 m。

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+10°、，a ＞5 m 時，H ＞29 ～32 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 時，H ＞32 ～37 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 20°、a ＞10 m 時，H ＞29 ～31 m;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 時，H ＞31 ～35 m［7］。這4 種賦存條件下可以按分段或分層開采，按分層先開采上層礦后采下層礦時，

n1= 29/2.5 = 11.6，

即上層礦開采最大可超于下層礦11 個分層，其中，擾動影響高度取最小值H=29 m，分層高度取為2.5 m。當2 層礦按分段開采時，

n1= 29/20 = 1.45，

即上層礦開采最大可超于下層礦1 個分段，其中，擾動影響高度取最小值H=29 m;分段高度取為20 m。

4 先開采下層礦后采上層礦

傾斜—急傾斜多層礦床階段高度大于H，先開采下層礦后采上層礦時，分段、分層高度不應(yīng)大于h，1個階段內(nèi)至少應(yīng)劃分m1個分段(層)，上層礦超前下層礦最大的開采高度為h，即上層礦開采超于下層礦至多m1個分段(層)，其中m1為擾動影響高度h 與分層(分段)高度之比，此時先采下層礦后采上層礦，上層未采礦層必然處于下層已采礦層采空區(qū)擾動范圍外。

一般情況下多層礦體擾動影響高度h 較?。?］，先開采下層礦后采上層礦時應(yīng)采用低分段低分層回采。如圖5，在階段內(nèi)按礦體的垂直方向劃分若干個分層，分層高度小于h，先開采下層礦1 分層，然后依次開采上、下礦層2、3、4、5、……，下層礦開采過程中始終超前上層礦1 個分層，下層礦超前上層礦開采高度始終小于h。

圖5 先開采下層礦后采上層礦Fig.5 Mining the upper ore after the lower ore

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+15°、a ＞10 m 時，h ＞8.3 ～13.2 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 時，h ＞8.9 ～14.8 m。這2 種賦存條件下擾動影響高度h 小于分段高度，因此不能按分段開采，只能按分層先開采下層礦后采上層礦，此時

m1= 8.3/2.5 = 3.32，

即下層礦開采最大可超于上層礦3 個分層，其中擾動影響高度取最小值h=8.3 m，分層高度取為2.5 m。

傾斜—急傾斜多層礦床在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 時，h ＞16.2 ～34.7 m;在γ1=60°～75°、α2≤γ1+15°、a ＞15 m 時，h ＞19.8 ～57.9 m;在γ1= 45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 時，h＞19 ～34 m;在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 30°、a ＞20 m 時，h ＞20.8 ～40 m［7］。這4 種賦存條件下可以按分段或分層開采，按分層先開采下層礦后采上層礦時，

m1= 16.2/2.5 = 6.48，

即下層礦開采最大可超于上層礦6 個分層，其中:擾動影響高度取最小值，h=16.2 m;分層高度取為2.5 m。

若2 層礦按分段開采，分段高度應(yīng)小于16.2 m，下層礦開采最大可超于上層礦1 個分段。

5 結(jié) 論

(1)不同賦存條件下的傾斜—急傾斜多層礦床都可以采用從上至下分層并行開采。在γ1= 60° ～75°、α2≤γ1+ 5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 25°、a ＞20 m 這2 種賦存條件下可以采用從上至下分段并行開采。

(2)2 層礦體先開采上層礦后采下層礦，階段高度小于H時，宜先采完上層礦，后開采下層礦體;階段高度大于H 時，只能按分層或分段下向開采，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+10°、a ＞5 m 或γ1為45° ～60°、α2≤γ1+20°、a ＞10 m 這2 種賦存條件下上層礦開采最大可超于下層礦11 個分層或1 個分段。

(3)2 層礦體先開采下層礦后采上層礦，在γ1=45° ～60°、α2≤γ1+ 15°、a ＞10 m 時不能按分段開采，只能按分層先開采下層礦后采上層礦，下層礦開采最大可超于上層礦3 個分層;在γ1=60° ～75°、α2≤γ1+5°、a ＞15 m 或γ1=45° ～60°、α2≤γ1+25°、a ＞20 m，這2 種賦存條件下層礦開采最大可超于上層礦6 個分層或1 個分段。

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