英语原文共 15 页

怀俄明碱矿长壁开采布置数值分析

A.G. Corkum^（1）, M.P. Board ^（2）

（1. 达尔豪西大学土木与资源工程系，加拿大，哈利法克斯市， B3H 4R2；

2.美国，科达伦，赫克拉有限公司，id83815 -9408）

摘要：位于怀俄明州西南部的索威矿，采用机械化房柱采矿法和长壁采矿法在460 ~ 490米深处开采了一条近水平矿层。矿山的地层主要为水平层状（即层状）沉积岩，沉积岩主要由具有明显力学性质差异的页岩和砂岩组成。最值得注意的是，在开采水平以上约100米处的一个43-82米厚的大型脆性砂岩层（塔砂岩）有可以在覆岩中促进应力拱形成的趋势，而正是应力拱既能暂时缓解了盘区范围内矿体的不稳定，又会导致剧烈的多盘区倒塌破坏。其中一次剧烈倒塌是1995年2月3日由于12 km的多盘区破坏导致的5.1级地震事件。事实证明，使用传统的采矿设计方法（例如从属面积法）来解释这种应力拱性状是很困难的。因此，在过去的二十多年中，索威矿山一直在利用数值模拟技术以及现场探测/监测作为深入了解上覆地层（即应力拱）对采矿作业复杂响应整体程序的一部分。2005年和2006年，矿山西北和东南地区的几块长壁盘区在采矿过程中进行了仪表化和监测。基于检测数据开发和校准二维、三维数值模型，然后将这些模型用于矿山设计验证（例如，矿柱和盘区尺寸）。该开采案例研究通过对比索威矿区的地层说明了其复杂的开挖响应，并提出了一个获取这些条件中主要方面的数值模拟研究。

关键词：长壁采矿法；碱矿；沉降；探测，数值模拟；FLAC

1.简介

天然碱是一种非海洋蒸发矿物，由倍半碳酸钠组成，主要用于生产玻璃，化学品，纸张和洗涤剂。自1947年以来，绿河流域的几个矿区一直采用多种采矿方法开采天然碱。绿河流域天然碱生产的主要来源之一是位于怀俄明州西部，小美利坚站以东约6.5公里，80号州际公路以南处的索威矿。

在索威矿区，在深度约为460-490米处开采着一块被称为17号矿层的2.7米厚近水平天然碱矿层。主要地层为水平层状（即层状）沉积岩，其刚度和脆性具有显著差异，最值得注意的是位于覆盖层剖面底部三分之一处一个43-82米厚的块状塔砂岩体。地质单元力学特性的差异导致了巷道和覆岩的复杂性状，如应力拱的形成和伴随掘进的递进破坏。这种性状对地层内部应力分布、屈服和沉降的演化具有重要影响。传统的矿山设计方法，如支流面积理论和经验矿柱设计曲线，都没有考虑这种性状。最关键的问题是由于跨越多盘区的脆性塔式砂岩形成的“应力拱”引起延期破坏所导致的剧烈破坏。 这类破坏的一个例子是1995年2月3日发生的，由大规模（12km）、猛烈的多盘区破坏导致的5.1级大地震。

在过去的二十年中，数值模拟方法已经在苏威矿区得到利用，以评价开挖规模和矿山规模的开采响应和表现。在此期间，通过对开采响应的观察、探测和监测，对相对复杂的岩石力学特性有了越来越多的经验和理解。然而，考虑到覆岩对开采响应的复杂性以及矿山设计中错误的预测结果，确保设计模型的校准至关重要。

在2005年和2006年，索威矿完成了矿区西北部(“NW区”)四个长壁盘区的开采后又在矿区东南部(“SE区”)开始了一个长壁盘区的开采。图1给出了苏威矿的总体平面图，图中显示了这些区域的位置。这些长壁盘区进行了地面沉降(大地测量)、柱应力(IRAD应力计)和井下拉伸应变(时域反射法:TDR电缆的)监测。利用监测数据对长壁开采进行详细的反演分析，利用二维连续介质代码FLAC建立一个“校准的”数值模型。利用东南区长壁盘区早期开采三维FLAC3D模型对模型进行了进一步验证。

本采矿案例研究展示了数值模拟和探测在综合矿山设计方法中的实际应用和作用。此外，它还说明了利用长壁采矿法开采相对较深的水平碱矿层时产生的复杂开挖响应，该碱矿层位于由具有明显力学性质差异的单元体组成的地层剖面以下。

需要注意的是，本研究提供的原始监测数据和数值模型是使用英制单位进行的。本文的英制单位为了便于发表已转换为公制，并且报告的许多原始舍入的英制值可能由于单位转换而显示为“奇数”值。

图1 截至2007年5月，苏威矿区的平面布置图显示了用于模型校准的西北区长壁盘区和东南区长壁盘区:设计研究的主题。采场主要由矿房、矿柱组成

2.背景

在过去的二十年中，在索威矿和索威矿附近的其他采矿作业中进行了许多基于数值模拟的研究。

本节简要概述了苏威矿的地质条件、岩石力学条件等情况，并总结了过去研究中与采矿有关的主要观测结果。

2.1.地质背景

绿河流域的绿河地层最大厚度约为730米，主要由水平层状细粒泥岩、粉砂岩、泥灰岩和油页岩构成。绿河地层由下提普顿页岩段、中威尔金斯峰段和上拉尼页岩段组成。含碱层状地质体在威尔金斯峰段产出。这些地质体沉积在始新世绿河流域的一个大湖中。蒸发岩 (如岩盐和碱)形成于蒸发期，油页岩形成于有机生物(如藻类)的盛行期。在威尔金斯峰段中，共有包括17号矿层在内的22个主要碱矿层。

塔状砂岩是一种巨大、或不规则层状的砂岩体，它的名字来源于绿河北部被称为“塔”的侵蚀残留盖层岩。塔式砂岩是威尔金斯峰-拉尼页岩接触带下拉尼页岩段的一部分。塔式砂岩由约75%的碎屑物质组成，其中40%为石英，25%为胶结物。卡伯森认为，塔形砂岩是绿河流域起伏淡水湖的边缘沉积。

已经将17号碱矿层开采了约3.3米厚的索威矿地层由上述地质体组成。17号碱矿层在弱油页岩层以下(约2米厚)，且上覆一层页岩层。其上方约20米处是一层10米厚的砂岩/泥岩层，称为D砂岩。塔式砂岩层位于17号矿层上方约90-122米处，是厚度为40 - 82米的强脆性层。上威尔金斯峰段位于D层和塔式砂岩单元之间，由层状页岩和泥岩层组成。塔式砂岩在西北区附近厚度约为82 m，而根据东南区附近6号井的地层图，塔式砂岩在东南区的厚度约为西北区的一半(41 m厚)。东南区塔砂岩的厚度取决于是否将其下部的推测厚度考虑在内u，而其下部厚度约18-24米、有较多裂缝且含有页岩互层。此外，东南地区从地表到17号矿层的埋深大于西北地区。图2为东南区和西北区地层对比图。

2.2.矿山布置

如图1所示，西北矿区的长壁盘区走向为南北方向。除了最西面的盘区宽152米外，其他盘区宽均为165米，长1525米，并有留有39米宽矿柱。一般认为，由于利用长壁法开采，西北地区的矿柱和巷道性能良好，采区顺槽和工作面几乎没有与应力相关的不稳定迹象。西北地区的长壁盘区是由东向西推进的。

2.3.过去对岩石力学开采响应的观测

虽然苏威矿的水平层状地质构造并不十分复杂，但由于某些单元的强度和刚度差异较大，导致其开采响应较为复杂。影响苏威等绿河地区矿山开采响应的因素很多。包括:a)盘区提取率;b) 盘区跨度;c)边界矿柱厚度;d)阶段矿柱系统强度;e)塔式砂岩的厚度、强度和脆性。根据现场观测、探测和以往数值分析的结果，Board和Damjanac对苏威矿长壁开采崩落机理进行了如下描述。

图2 西北和东南地区的地层相似;然而，在东南区塔式砂岩明显较厚，东南区地表到17号矿层的深度较大。

软弱页岩(直接顶板和上威尔金斯峰段)桥台上方发生近垂直剪切破坏扩展，导致页岩层均匀向下移动，直到与地面接触为止，而内部垂直应变很小。随后的页岩坍塌在塔式砂岩(高达一米或更宽)下打开了一个明显的缺口，缺口跨度几乎与盘区的宽度相同。塔式砂岩发生弯曲进入这一缺口，导致塔式砂岩底部形成一个不受约束的拉伸带。该拉伸带导致塔式砂岩基底膨胀并逐渐塌陷。在这种情况下，塔式砂岩的破坏是典型的非暴力破坏，因为塔式砂岩在底部基本上是无约束的，在低应力或拉应力作用下会发生渐进式破坏。这可能会引起从单元底部垂直向上推进或“狂奔”的渐进块体破坏，直到堆积的膨胀塌陷物质阻止了进一步推进的破坏。随后覆盖在塔式砂岩上的单元会随着塔式砂岩的弯曲而垂直向下平移。这种平移发生时，伴随着很小的内部应变和下移块体的损坏。然而，布里杰段内的层理面往往在地质体下沉时发生几厘米的层理面剪切。多盘区开采导致所有盘区上的塔式砂岩弯曲，在没有证据表明是链柱影响的情况下，形成一个沉降槽。一条确定沉降槽的绘制角度的折线，以与水平方向约70°的角度穿过所有单元。

在17号矿层内，相对较强的脆性碱矿石与较弱的韧性油页岩底板之间的差异，导致了矿柱和巷道独特载荷响应性状，这已被Board等人很好地记录下来。当矿柱击入软弱的油页岩底板时，油页岩在柱下以延申的方式被挤出，矿柱的底部被拉开。在底线处产生侧壁破坏并且岩层会在矿房中心处屈曲。连续冲击将楔形中立柱芯打入地板。该柱心高度受限，可能导致岩柱加固。因此，矿柱底部必须被视为“系统响应”来加载。与长壁法开采相比，这种柱荷响应对房柱式开采中相对细长的矿柱具有更大的意义。

索威矿长壁法开采的目的之一是诱导塔式砂岩“受控破坏”，避免可能出现的延迟、剧烈破坏的情况。一般来说，这似乎已在西北部地区实现。此外，考虑到上覆塔式砂岩的厚度(82 m)、油页岩底板和顶板页岩的强度以及所采用的开采尺寸，西北区长壁开采已取得了较好的效果。采空区似乎是逐渐发展起来的，没有过度的暴力破坏迹象。采区顺槽和链柱几乎没有显示出因压力而受损的迹象。

3.地质工程条件

为了评估绿河地区的地质体完整的（实验室规模）岩石性质，各矿山及其咨询公司已经开展了若干次岩石力学实验。最详细的实验室研究由Tetra Tech Inc.(盐湖城)为联合工业OGT项目而开展。韦勒从大量岩石力学研究中收集的数据，为苏威矿的主要地质体提供了完整岩石无侧限抗压强度(UCS)建议值。完整岩石参数如表1所示。

表1 来自Weller完整的岩石性质。

利用岩体性质进行分析，用以解释节理、裂缝和尺度效应的存在(即从实验室尺寸到现场问题尺寸)。决定霍克布朗岩体性质的方法已经被开发;然而,这些关系更适合一个相对均匀,有节理的岩体,而不是Board等人基于实验室测试数据，与过去大量的分析和设计的工程经验估算地质强度指标(GSI)值得到的，像苏威矿地层一样强烈层状且高度可变的岩石分层。表2所列的为参考文献3提供的一系列主要地质体的岩体性质。特别是油页岩碱矿柱的直接观测和反演分析已被广泛应用于评价岩石性质。

表2所列岩体参数为索威矿的数值分析提供了一个出发点。而2003-2006年西北区长壁开采，为更全面地了解地层剖面中所有关键岩石单元的可能响应范围提供了契机。该探测和监测方案在采矿水平(应力计)、地表(沉降)以及地层(TDR)中都提供了可靠的信息。可以获得所有监测数据再加上匹配关键采矿观测值的长壁采矿的反演分析，将被视为一个校准模型。校准模型是基于模型设计的前提。

绿河流域是一个水平应力相对较低的地区。根据苏威矿过去的应力测量和对矿山开挖响应的观测，确定了该矿山的地应力。在此基础上,垂直应力梯度0.025 MPa / m，水平到垂直之间的比例压力范围的K=0.3~0.75都有可能。分析时取K=0.5。

表2 估计的砂岩和页岩的原岩性质

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