急倾斜中厚矿体的开采方法与流程

1.本技术涉及金属矿床地下采矿技术领域，尤其涉及一种崩落法采矿地表错动范围的确定方法。

背景技术：

2.随着矿业经济的发展，我国平原地区的深埋金属矿床逐渐投入开采，这类矿床地表普遍存在厚层第四纪沉积物，其下顶板围岩节理裂隙发育而稳定性差，应用崩落法开采，采空区上覆岩体容易冒落，一些已采矿床的地表错动范围与按岩层错动角圈定的范围相差较大。此外，随着环保要求的加强，越来越多的矿山用固体废弃物充填塌陷坑，以进行地表的防护。

3.为了合理确定地表防护范围，现亟需一种方法可以确定地表的错动范围。

技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种崩落法采矿地表错动范围的确定方法，可以合理地确定地的表错动范围。

5.本技术实施例提供了一种崩落法采矿地表错动范围的确定方法，包括：

6.按照地质资料确定地质数据，所述地质数据包括采空区边界位置之上的实体岩层高度、地表第四纪松散岩层厚度、地表第四纪松散岩层的错动角、采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数、采空区上覆岩体的抗压强度、采空区顶板承受水平压力的有效厚度、采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、上覆岩体平均容重、采空区的底板距离地表的高度以及采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度；

7.根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表的高度确定岩体塌落边界补偿量；

8.基于预设的地表错动范围计算公式确定地表错动范围，其中，所述地表错动范围计算公式为：

[0009][0010]

其中，l为地表裂缝与采空区边界位置的水平距离，h1为所述采空区边界位置之上的实体岩层高度，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度，θ为所述地表第四纪松散岩层的错动角，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，δl为所述岩体塌落边界补偿量。

[0011]

在一些实施例中，所述根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表

的高度确定岩体塌落边界补偿量，包括：

[0012]

先根据预设的临界大冒落跨度计算公式确定边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度，其中，所述临界大冒落跨度计算公式为：

[0013][0014]

其中，σc为所述采空区上覆岩体的抗压强度、d为所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度，γ为所述上覆岩体平均容重，h为所述采空区的底板距离地表的高度；

[0015]

然后根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量。

[0016]

在一些实施例中，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量，包括：

[0017]

根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值；

[0018]

根据预设的宽度相对值与岩体塌落边界补偿量的对应关系确定与所述目标宽度相对值对应的所述岩体塌落边界补偿量。

[0019]

在一些实施例中，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值，包括：

[0020]

根据预设的宽度相对值计算公式确定所述目标宽度相对值，其中，所述宽度相对值计算公式为：

[0021][0022]

其中，λ为所述目标宽度相对值，lb为所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度。

[0023]

在一些实施例中，所述岩体塌落边界补偿量的取值范围为0～5m，当所述目标宽度相对值的值小于1时，所述目标宽度相对值的值越小则所述岩体塌落边界补偿量越大，当所述目标宽度相对值的值大于或等于1时，所述岩体塌落边界补偿量为0。

[0024]

在一些实施例中，所述地质资料包括地质剖面图。

[0025]

在一些实施例中，所述按照地质资料确定地质数据之后，所述方法还包括：

[0026]

根据预设的边界绘制公式，以采空区边界位置为原点绘制出采空区边界位置至地表第四纪松散岩层底板的塌陷区散体移动边界，作为岩体的最终塌陷边界，其中，所述边界绘制公式为：

[0027]

其中，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，z为所述采空区边界位置之上以及实体岩层顶层高度之下的高度取值。

[0028]

在一些实施例中，所述根据预设的边界绘制公式，以采空区边界位置为原点绘制出采空区边界位置至地表第四纪松散岩层底板的塌陷区散体移动边界，作为岩体的最终塌陷边界之后，所述方法还包括：

[0029]

确定所述岩体的最终塌陷边界与地表第四纪松散岩层的交点；

[0030]

根据所述地表第四纪松散岩层的错动角，从所述交点描绘错动线至地表，得到地表错动线。

[0031]

在一些实施例中，所述根据所述地表第四纪松散岩层的错动角，从所述交点描绘错动线至地表，得到地表错动线之后，所述方法还包括：

[0032]

根据所述岩体塌落边界补偿量以及所述地表错动线描绘出地表错动的范围。

[0033]

本发明的有益效果：本技术提供的崩落法采矿地表错动范围的确定方法在进行地表错动范围计算时结合了多种地质数据，并且结合了岩体塌落边界补偿量，通过本方案不仅可以确定地表的错动范围，而且通过岩体塌落边界补偿量对地表的错动范围进行了调整，更加合理地确定了地表防护范围。

附图说明

[0034]

为了更清楚地说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035]

图1为本技术实施例提供的接近地表时冒落拱受力分析图；

[0036]

图2为本技术实施例提供的地表错动范围确定方法的示意图；

[0037]

图3为本技术实施例提供的某矿的矿体典型剖面图与地表裂缝出露位置图示意图；

[0038]

图4为本技术实施例提供的预计深部开采地表裂缝边界与河道边界的位置关系示意图。

具体实施方式

[0039]

下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。

[0040]

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0041]

还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

[0042]

还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0043]

申请者通过建立如图1所示的冒落拱力学模型分析发现，在冒落拱接近地表时，拱顶围岩承受巨大的水平应力；同时，申请者现场跟踪观察发现，地表含厚层第四纪沉积物的顶板围岩不稳的金属矿床应用崩落法开采，在地表出现塌陷坑之后，起初一些离塌陷区较远的地表裂缝经风雨闭合，后续出现裂缝的位置，不是随着地下开采深度的增大而远离塌

陷坑，而是相比起初裂缝靠近塌陷坑。基于这些发现，申请者研究了地表含厚沉积物的顶板围岩不稳矿床的地表岩移机理，最终提出了本技术。

[0044]

首先，根据图1所示力系平衡条件，可得出冒落拱顶承受的水平应力平均值计算式：

[0045][0046]

由该式分析得出，σx随采空区顶板冒落高度h的增大而增大；在采空区冒透地表的前一时刻，h→h，h-h→0，σx趋于无穷大。

[0047]

其次，在采空区冒透地表之时，巨大的σx突然释放，围岩由受压状态变为受拉状态，而第四纪沉积物，几乎不能承受拉应力，从而被拉裂的范围分布较大。

[0048]

此外，在采空区冒透地表形成塌陷区之后，塌陷区边壁受到冒落散体的支撑，其裂纹与裂缝的扩展空间，由挤压散体获得，最终由散体可被挤压的松动范围，决定塌陷区边壁的扩展范围。

[0049]

由此发明了不稳岩层由冒落散体松动范围决定塌陷区最终边界、地表第四纪沉积物由剪切错动角决定错动边界的地表岩移确定方法，即崩落法采矿地表错动范围的确定方法。

[0050]

本技术提供的崩落法采矿地表错动范围的确定方法，适合于地表第四纪松散岩层厚度超过50m、采空区上覆实体岩层节理裂隙发育且可崩性好、采空区岩移不受断层或构造应力严重影响、采深超过300m、应用崩落法开采、地表塌陷坑采取充填措施的硬岩矿床，是一种安全可靠、准确度高的地表错动范围确定方法。

[0051]

以下对本技术提供的崩落法采矿地表错动范围的确定方法进行详细说明：

[0052]

请参阅图2，图2为本技术提供的地表错动范围确定方法的示意图。

[0053]

在本实施例中，首先按照地质资料确定地质数据，所述地质数据包括采空区边界位置之上的实体岩层高度、地表第四纪松散岩层厚度、地表第四纪松散岩层的错动角、采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数、采空区上覆岩体的抗压强度、采空区顶板承受水平压力的有效厚度、采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、上覆岩体平均容重、采空区的底板距离地表的高度以及采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度；然后根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表的高度确定岩体塌落边界补偿量；最后基于预设的地表错动范围计算公式确定地表错动范围，其中，所述地表错动范围计算公式为：

[0054][0055]

其中，l为地表裂缝与采空区边界位置的水平距离(m)，h1为所述采空区边界位置之上的实体岩层高度(m)，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度(m)，θ为所述地表第四纪松散岩层的错动角(°)，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，δl为所述岩体塌落边界补偿量。

[0056]

在一些实施例中，所述根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽

度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表的高度确定岩体塌落边界补偿量，包括：

[0057]

先根据预设的临界大冒落跨度计算公式确定边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度，其中，所述临界大冒落跨度计算公式为：

[0058][0059]

其中，σc为所述采空区上覆岩体的抗压强度(t/m2)、d为所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度(m)，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度(m)，γ为所述上覆岩体平均容重(t/m3)，h为所述采空区的底板距离地表的高度(m)；

[0060]

然后根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量。

[0061]

在一些实施例中，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量，包括：

[0062]

根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值；

[0063]

根据预设的宽度相对值与岩体塌落边界补偿量的对应关系确定与所述目标宽度相对值对应的所述岩体塌落边界补偿量。

[0064]

在一些实施例中，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值，包括：

[0065]

根据预设的宽度相对值计算公式确定所述目标宽度相对值，其中，所述宽度相对值计算公式为：

[0066][0067]

其中，λ为所述目标宽度相对值，lb为所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度(m)。

[0068]

在一些实施例中，当所述目标宽度相对值的值大于或等于1时，所述岩体塌落边界补偿量为0，当所述目标宽度相对值的值小于1时，所述目标宽度相对值的值越小则所述岩体塌落边界补偿量越大。

[0069]

其中，所述岩体塌落边界补偿量的取值范围为0～5m，当λ≥1时，表明采空区边壁在本分段回采之后可由冒落散体支撑，边壁塌落的可能性小，δl取0；反之需要考虑岩体塌落边界补偿量。

[0070]

在一些实施例中，所述地质资料包括地质剖面图。

[0071]

需要说明的是，为了直观体现本技术中的地表错动范围，本实施例还需要在需要在地质剖面图上进行地表错动范围的绘制，具体方法如下：

[0072]

根据预设的边界绘制公式，以采空区边界位置为原点绘制出采空区边界位置至地表第四纪松散岩层底板的塌陷区散体移动边界，作为岩体的最终塌陷边界，其中，所述边界

绘制公式为：

[0073]

其中，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，z为所述采空区边界位置之上以及实体岩层顶层高度之下的高度取值。

[0074]

确定了岩体的最终塌陷边界之后，还需要确定所述岩体的最终塌陷边界与地表第四纪松散岩层的交点；根据所述地表第四纪松散岩层的错动角，从所述交点描绘错动线至地表，得到地表错动线。得到地表错动线之后，根据所述岩体塌落边界补偿量以及所述地表错动线描绘出地表错动的范围。

[0075]

申请者用实际案例对本实施例提供的崩落法采矿地表错动范围的确定方法的准确性进行了验证，如下：

[0076]

某铁矿为接触交代矽卡岩型铁矿矿床，矿体埋深330m以上，顶板围岩主要为奥陶纪灰岩与第四纪，其中奥陶纪灰岩节理裂隙发育，岩体石点荷载强度为2.85mpa～3.91mpa，岩体完整性系数为0.24～0.34，岩体抗压强度14.71～18.49mpa，平均16.6mpa，属于强度低、不稳定～中等稳定岩体，岩体容重为γ＝2.7t/m3。地表第四纪主要为沙土+河卵石，质地松散，厚度50～120m，错动角35.1°。散体流动参数为：α＝1.4952，β＝0.2338。预计采空区冒透地表部位的地表弱化岩层厚度为52.3m。令σc＝16.6mpa＝1693.25t/m2，γ＝2.7t/m3，h2＝52.3m，取d＝1.07，代入式(5)与式(3)计算得：

[0077]

r＝1.0257z0.7476

(6)

[0078][0079]

由矿体的上、下盘边界，确定出采空区冒落的边界位置，从此边界位置开始，按式(6)计算出塌陷区散体发生移动的边界，并按计算值绘制出至第四纪松散岩层底板的塌陷区散体发生移动边界，作为岩体的最终塌陷边界，此后按第四纪松散岩层错动角作错动线至地表，再考虑空区边壁围岩塌落补偿量δl，由此确定出该采空区上覆岩层冒落与塌陷引起地表错动的范围。

[0080]

该矿典型剖面图地表裂缝出露的位置、以及按第四纪松散岩层错动角接续划线至地表的位置见图3，可见下盘侧δl＝3.2m，上盘侧δl≈0。这是因为，在矿体的下盘侧，第一分段采空区底板埋深351.6m，分段采空区宽度lb＝9.6m，由式(7)计算lj＝140.64m，λ＝lb/lj＝9.6/140.64＝0.07《1；而在矿体的上盘侧，最宽部位的分段采空区底板埋深428.3m，分段采空区的总宽度161.6m，由式(7)计算lj＝150.90m，则λ＝lb/lj＝161.6/150.9＝1.07》1。因此，下盘侧的δl值大于上盘侧。

[0081]

由于δl值随λ值增大而减小，在图3中λ＝0.07为进路回采的最小值，此时δl＝3.2m，由此推断该矿在深部开采中δl≤3.2m。

[0082]

该矿塌陷区邻近河道，需要预测深部矿体开采引起的地表裂缝范围，以此评估对河道有无影响。取δl＝3.2m按上述方法便可预测出深部开采引起地表裂缝的边界位置，如图4所示。预计裂缝的边界位置离河道边界140m，超出设计安全距离50m，因此在塌陷坑采取固体废弃物充填条件下，预计河道不会受到深矿体开采的地表岩移影响。

[0083]

所以，本技术提供的地表错动范围确定方法还可以用于判断周围物体是否受到岩

移影响。

[0084]

以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。技术特征：

1.一种崩落法采矿地表错动范围的确定方法，其特征在于，包括：按照地质资料确定地质数据，所述地质数据包括采空区边界位置之上的实体岩层高度、地表第四纪松散岩层厚度、地表第四纪松散岩层的错动角、采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数、采空区上覆岩体的抗压强度、采空区顶板承受水平压力的有效厚度、采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、上覆岩体平均容重、采空区的底板距离地表的高度以及采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度；根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表的高度确定岩体塌落边界补偿量；基于预设的地表错动范围计算公式确定地表错动范围，其中，所述地表错动范围计算公式为：其中，l为地表裂缝与采空区边界位置的水平距离，h1为所述采空区边界位置之上的实体岩层高度，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度，θ为所述地表第四纪松散岩层的错动角，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，δl为所述岩体塌落边界补偿量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度、所述采空区上覆岩体的抗压强度、所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度、所述采空区冒透地表部位的弱化岩层厚度、所述上覆岩体平均容重以及所述采空区的底板距离地表的高度确定岩体塌落边界补偿量，包括：先根据预设的临界大冒落跨度计算公式确定边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度，其中，所述临界大冒落跨度计算公式为：其中，σc为所述采空区上覆岩体的抗压强度、d为所述采空区顶板承受水平压力的有效厚度，h2为所述地表第四纪松散岩层厚度，γ为所述上覆岩体平均容重，h为所述采空区的底板距离地表的高度；然后根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定所述岩体塌落边界补偿量，包括：根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值；根据预设的宽度相对值与岩体塌落边界补偿量的对应关系确定与所述目标宽度相对值对应的所述岩体塌落边界补偿量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述边界最凸出位置的岩体临界大冒落跨度以及所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度确定目标宽度相对值，包括：根据预设的宽度相对值计算公式确定所述目标宽度相对值，其中，所述宽度相对值计算公式为：其中，λ为所述目标宽度相对值，lb为所述采空区边界中向外最凸出位置的分段采空区宽度。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述岩体塌落边界补偿量的取值范围为0～5m，当所述目标宽度相对值的值小于1时，所述目标宽度相对值的值越小则所述岩体塌落边界补偿量越大，当所述目标宽度相对值的值大于或等于1时，所述岩体塌落边界补偿量为0。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质资料包括地质剖面图。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照地质资料确定地质数据之后，所述方法还包括：根据预设的边界绘制公式，以采空区边界位置为原点绘制出采空区边界位置至地表第四纪松散岩层底板的塌陷区散体移动边界，作为岩体的最终塌陷边界，其中，所述边界绘制公式为：其中，α以及β为所述采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，z为所述采空区边界位置之上以及实体岩层顶层高度之下的高度取值。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据预设的边界绘制公式，以采空区边界位置为原点绘制出采空区边界位置至地表第四纪松散岩层底板的塌陷区散体移动边界，作为岩体的最终塌陷边界之后，所述方法还包括：确定所述岩体的最终塌陷边界与地表第四纪松散岩层的交点；根据所述地表第四纪松散岩层的错动角，从所述交点描绘错动线至地表，得到地表错动线。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述地表第四纪松散岩层的错动角，从所述交点描绘错动线至地表，得到地表错动线之后，所述方法还包括：根据所述岩体塌落边界补偿量以及所述地表错动线描绘出地表错动的范围。

技术总结

本申请实施例公开了一种崩落法采矿地表错动范围的确定方法。所述方法包括：本申请可以按下式确定地表的错动范围其中，L为地表裂缝与采空区边界位置的水平距离，h1为采空区边界位置之上的实体岩层高度，h2为地表第四纪松散岩层厚度，θ为地表第四纪松散岩层的错动角，α以及β为采空区上覆实体岩层冒落成散体的移动参数，ΔL为岩体塌落边界补偿量。通过本申请实施例的方法可以合理地确定地表的错动范围。范围。范围。

技术研发人员：李海英 任凤玉 丁航行 崔杰

受保护的技术使用者：武汉科技大学

技术研发日：2022.06.08

技术公布日：2022/10/11