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在我国地下开采的金属矿山,中厚倾斜矿体约占开采矿体总数的23%,而且随着采深的增加,许多厚大矿体也分枝成中厚倾斜矿体,因此中厚倾斜矿体在深部开采中的比例将会进一步增大。该类矿体的开采特点是崩落矿石的移动空间条件较差,因此对采准工程的可靠性要求比较严格,一旦遭地压破坏,其负担矿量容易成为永久损失。然而随着采深的增加,该类矿体采准工程受地压破坏的风险性越来越大,为从根本上解决采准工程的稳固性问题,当矿体的倾角与厚度适宜时,需要适时卸掉采准工程的采动压力。为此本文提出了中厚倾斜矿体卸压开采的理论方法,并在谦比西铜矿得到了实际应用。
本文采用数值分析的方法分析了中厚倾斜矿体不同开采方式下的岩体应力场变化规律和分布特征,阐述了中厚倾斜矿体无底柱分段崩落法卸压开采的机理,并分析了影响无底柱分段崩落法卸压开采的因素和采场结构参数与卸压开采之间的关系,提出了满足中厚倾斜矿体无底柱分段崩落法卸压开采的采场结构参数选取条件。中厚倾斜矿体采用无底柱分段崩落法卸压开采是否可行,主要受矿体厚度和倾角以及所选取的卸压开采参数下所能取得的技术经济指标所决定。
谦比西铜矿矿体倾角46°~65°,平均厚度8~10m。通过现场调查,矿体及近矿围岩层理发育,岩体稳定性处于Ⅲ~Ⅴ的范围内。在主采区试验的分段空场嗣后充填法,矿岩容易冒落,生产中沿脉凿岩巷屡遭破坏,而且难以形成采空场,由此导致生产不能正常进行。通过数值分析和地下开采中巷道破坏形式的调查分析发现,露天开采后在露天坑下部岩体中并不会出现应力集中区域,其采准工程的破坏主要是由采动地压引起的,且采动地压集中作用于层、节理发育的矿体与近矿围岩。而沿脉凿岩巷的破坏过程总是拱角先片落,其次是拱项冒落,最后为两帮片落,但是被破坏巷道从未发现底鼓现象,因此,引起谦比西铜矿巷道破坏的采动压力主要是垂直压力。
谦比西铜矿为了回收下盘富矿带,回采进路沿走向布置在矿体下盘,而根据无底柱分段崩落法卸压开采方案,在谦比西铜矿试验区域的矿体倾角和厚度不足的条件下,只能实施分层卸压,即上一分层的回采只能为下分层卸压。数值计算表明,谦比西铜矿无底柱分段崩落法卸压开采方案实施后可以使下分段回采进路位置的应力降低25%~30%左右。
虽然谦比西铜矿在卸压开采之后,有效的降低了回采巷道部位的压力,但是为了更好的维护巷道稳定性,需要采用卸压与支护并重的巷道维护手段,因此,本文采用数值方法分析了卸压前后不同锚杆支护参数下的锚杆支护效果。计算结果表明卸压开采和改变巷道的锚杆支护参数都会提高巷道的稳定性,但是卸压所起到的维护巷道稳定性的效果要优于改变锚杆支护参数所引起的效果,而卸压程度则影响着巷道变形幅度及锚杆支护效果。不同锚杆支护参数的数值分析表明,锚杆支护巷道并不在于控制巷道的变形,而在于协调巷道周围岩体的变形,并改善巷道拱顶部位岩体应力场的状态,从而最大限度的利用岩体自身的稳定能力。为此,本文提出谦比西铜矿锚杆支护的原则是,不管能否实现卸压开采,巷道支护中都应根据岩体的破碎及稳定程度在不同的区域选择不同的支护参数,以协调巷道周围岩体的变形为主。谦比西铜矿通过实施无底柱分段崩落法卸压开采方案以及以锚杆支护为主的巷道支护方式,有效的解决了巷道垮冒问题,成功的实现了谦比西铜矿中厚倾斜矿体的安全回收,取得了良好的应用效果。
理论研究与谦比西铜矿的成功应用表明,本文提出的中厚倾斜矿体无底柱分段崩落法卸压开采方法能够实现中厚倾斜矿体的安全高效回采,而随着中厚倾斜矿体开采比例的不断增大,本文的研究成果将具有广阔的应用前景。