金廠峪金礦基于FLAC3D的殘礦回收與空區(qū)處理采礦方法優(yōu)化

溫軍鎖，程文文，繆國(guó)衛(wèi)

(1.中國(guó)黃金集團(tuán)公司，北京 100011；2.長(zhǎng)春黃金研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

金廠峪金礦基于FLAC3D的殘礦回收與空區(qū)處理采礦方法優(yōu)化

溫軍鎖1，程文文2，繆國(guó)衛(wèi)2

(1.中國(guó)黃金集團(tuán)公司，北京 100011；2.長(zhǎng)春黃金研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

金廠峪金礦近年來井下空區(qū)數(shù)量不斷增大，空區(qū)條件愈加復(fù)雜，可能隨時(shí)出現(xiàn)地表塌陷等危害，亟需開展廢石尾砂膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行空區(qū)處理及殘礦回收研究工作。根據(jù)類似礦山經(jīng)驗(yàn)，提出4種殘礦回收方案，采用FLAC3D分別對(duì)4種方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析，結(jié)果表明：第1種方案的豎向應(yīng)力、位移沉降、塑性區(qū)分布以及最大主應(yīng)力等指標(biāo)優(yōu)于其他方案，并能保證生產(chǎn)過程中的整體安全穩(wěn)定性，推薦該方案在金廠峪金礦大規(guī)模推廣應(yīng)用。

充填；FLAC3D；采礦方法

河北省遷西縣金廠峪礦業(yè)有限責(zé)任公司下屬的桑家峪金礦，位于河北省遷西縣城城北，公路里程30km。礦區(qū)位于西灣子村西0.5km，屬金廠峪鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)東側(cè)有豐董公路通過，交通方便。金廠峪金礦桑家峪礦區(qū)為該礦新收購(gòu)的礦山，之前進(jìn)行過民采，已開采中段有110m、80m、50m中段。由于民采期間未進(jìn)行合理規(guī)劃，即見礦就采，至此，在此三中段形成了約4萬m3的采空區(qū)，所形成的高大空區(qū)與地表接近，位于空區(qū)上方的山谷為一季節(jié)性河流，可能隨時(shí)出現(xiàn)河水灌入井下、地表塌陷等危害。因此，需進(jìn)行空區(qū)的處理，并運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行殘礦回收。

根據(jù)礦山的具體情況，決定采用廢石尾砂膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行空區(qū)處理及殘礦回收工作[1-2]，以達(dá)到處理空區(qū)確保不發(fā)生災(zāi)害事故并安全回收殘礦的目的，提出幾種初步方案設(shè)計(jì)，并經(jīng)數(shù)值模擬分析回采方案過程，確定最終回采設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)值模擬方法概述

巖體力學(xué)數(shù)值模擬相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為礦塊回采工藝科學(xué)決策提供了條件，本研究以巖土工程專用分析軟件FLAC3D為輔助，在保證生產(chǎn)安全的前提下優(yōu)化礦塊回采順序及工藝，模擬計(jì)算了在不同的回采工藝條件下，礦塊開采后礦房頂板、礦柱的應(yīng)力、變形狀態(tài)及塑性區(qū)分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定安全合理回采工藝，提高礦山安全生產(chǎn)水平和資源的有效利用率[3-4]。

2 礦塊回采工藝優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

本次模擬范圍從+30m到+130m共100m，設(shè)計(jì)地表標(biāo)高為+200m，上部巖體對(duì)模型作用力通過施加豎向應(yīng)力實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)選用采礦方法進(jìn)行建模以及開挖分析等工作；最終選取建模參數(shù)為：長(zhǎng)100m，寬50m，高100m，包含了+50m及+80m等中段巖體。礦體按照厚度15m，傾角70°，走向長(zhǎng)度80m進(jìn)行建模。整個(gè)模型分為兩個(gè)組塊，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將礦體外其余部分設(shè)為圍巖，其中對(duì)礦體網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以便得到更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。模型共31920個(gè)單元體，34231個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 本構(gòu)模型的選擇

本研究采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則。

2.3 模型力學(xué)參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)室方法是對(duì)所取巖芯進(jìn)行測(cè)試獲取巖體的力學(xué)屬性，其值較原位試驗(yàn)獲取的巖體的力學(xué)屬性往往要大得多，因此在實(shí)踐中通常是將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試獲取的巖體的力學(xué)屬性進(jìn)行必要的折減后作為模擬需要的物理力學(xué)參數(shù)[5]。

本次模擬主要巖性為斜長(zhǎng)角閃巖，根據(jù)金廠峪巖石力學(xué)試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告選取模型巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

3 模型開挖計(jì)算方案

3.1 開挖方案建立

采用上向水平分層充填法進(jìn)行采礦，每隔體回采順序可從一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行，每個(gè)礦塊作為單獨(dú)采場(chǎng)，每個(gè)分層為獨(dú)立充填單元，回采時(shí)采用隔一采一。

由于+80m上部有空區(qū)賦存，當(dāng)殘礦回收至空+80m中段時(shí)存在著一定的安全隱患，為了避免在區(qū)下進(jìn)行回采作業(yè)，因此考慮在+80m中段底板預(yù)先用尾砂膠結(jié)充填1m厚，既能提高下方殘礦回收作業(yè)的安全性，也在一定程度上對(duì)兩幫圍巖起到一定的支撐作用。對(duì)整體回收方案考慮四種方案進(jìn)行分析和對(duì)比，見表2。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型開挖方案

由于上向水平分層充填采礦工藝較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化開挖過程及便于分析對(duì)比方案，模擬過程對(duì)回采步驟進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化、合并處理。

3.2 開挖過程分析模擬

殘礦回收模擬前要先形成+50m、+80m中段空區(qū)，在+50m中段充填至+65m后，將+80m底板尾砂膠結(jié)充填1m，見圖1。

模型對(duì)開挖過程按照采礦工藝過程分析相關(guān)豎向應(yīng)力、位移沉降以及塑性區(qū)分布等參數(shù)，總結(jié)其變化規(guī)律，探討礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)圍巖的破壞機(jī)理及規(guī)律[6-9]。

圖1 +50m空區(qū)充填后有、無底板膠結(jié)示意圖

方案1開挖過程模擬，見圖2。方案1在+80m中段有1m后的尾砂膠結(jié)，回采順序?yàn)橐粋?cè)向另一側(cè)回采，分析豎向應(yīng)力云圖可知，隨著回采的進(jìn)行，殘礦巖體內(nèi)豎向應(yīng)力變化較小，這是因?yàn)闅埩舻V體上下空間無巖體賦存，其主要受兩幫圍巖的水平應(yīng)力作用。而分層充填采礦方法的特點(diǎn)也使采場(chǎng)周邊圍巖得到有效支撐，主要變化集中在采區(qū)兩幫圍巖內(nèi)，其豎向應(yīng)力有所增大，但變化幅度較小。

3.3 開挖方案對(duì)比分析

上文對(duì)選取的開挖方案過程進(jìn)行了分析模擬，通過分析豎向應(yīng)力場(chǎng)、沉降位移變化，對(duì)礦巖的開采引起周圍巖層擾動(dòng)規(guī)律有了具體的認(rèn)識(shí)，下面通過上述參數(shù)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行橫向比較分析，選取回采順序最優(yōu)的方案。

由圖3可知，觀察各個(gè)方案回采結(jié)束后豎向應(yīng)力對(duì)比云圖可知，各方案都在周邊圍巖形成應(yīng)力集中，在+80m中段空區(qū)上部有應(yīng)力貫通區(qū)域，整體應(yīng)力分布大體一致。而無1m尾砂膠結(jié)的方案3、4周邊圍巖豎向應(yīng)力較方案1、2要小，從而使圍巖內(nèi)拉應(yīng)力較方案1、2增大，從巖體整體穩(wěn)定性來看是相對(duì)不利的，因?yàn)閹r石抗拉強(qiáng)度相對(duì)抗壓強(qiáng)度要低很多。

這也說明預(yù)先施工的1m厚膠結(jié)尾砂對(duì)兩幫圍巖起到了支撐作用，從作業(yè)安全性及巖體穩(wěn)定性兩方面考慮都是很有必要的。經(jīng)過比較可知，四個(gè)方案中，方案1、2優(yōu)于方案3、4，而方案1在前述分析中是優(yōu)于方案2，可視為最優(yōu)方案。

分析各個(gè)方案回采結(jié)束后豎向位移云圖見圖4，方案3、4周邊圍巖沉降幅度較方案1、2要大，由于方案3、4上部無膠結(jié)頂板，導(dǎo)致采場(chǎng)充填體內(nèi)發(fā)生位移、移動(dòng)的充填體范圍增大，綜合分析，可視方案1為最優(yōu)方案。

分析各方案回采結(jié)束后最大主應(yīng)力對(duì)比云圖見圖5，回采結(jié)束后在周邊圍巖及上部空區(qū)頂部均有拉應(yīng)力出現(xiàn)，整體分布規(guī)律大體一致，且大部分區(qū)域拉應(yīng)力在5MPa以下，低于巖體抗拉強(qiáng)度，整個(gè)采場(chǎng)可視為是安全穩(wěn)定的。雖然在+50m采場(chǎng)端部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力集中，但是由于其范圍較小及處于端部位置，不會(huì)影響到整個(gè)采場(chǎng)區(qū)域的安全及穩(wěn)定性。對(duì)比各方案主應(yīng)力云圖可以看到，方案1其應(yīng)力集中程度最小，整體安全穩(wěn)定性最好，可視為最優(yōu)方案。

圖3 各方案回采結(jié)束后豎向應(yīng)力對(duì)比云圖

圖4 各方案回采結(jié)束后豎向位移對(duì)比云圖

4 結(jié)論

1)通過對(duì)開挖方案建立模型，建立4個(gè)開挖方案，方案之間進(jìn)行縱向分析并做橫向比較，分析選取的豎向應(yīng)力、位移沉降、塑性區(qū)分布以及最大主應(yīng)力等參數(shù)，最終得到不同回采順序的采場(chǎng)穩(wěn)定性對(duì)比如下：方案1>方案2>方案3>方案4。最終推薦的礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)為方案1，也就是在+80m中段底板預(yù)先施工1m厚膠結(jié)尾砂并由一側(cè)回采。一側(cè)回采不僅在采場(chǎng)安全及穩(wěn)定性上優(yōu)于中間向兩側(cè)回采，也便于施工組織，合理利用采準(zhǔn)工程，加快工程進(jìn)度。

2)分析各方案開挖過程的力學(xué)參數(shù)可以看到，方案之間的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)差異較小，方案的安全及穩(wěn)定性都是可以接受的；但是方案3、4由于上部無預(yù)先施工膠結(jié)頂板，導(dǎo)致回采后期要在空區(qū)下作業(yè)，存在安全隱患，因此不建議采用。

圖5 各方案回采結(jié)束后最大主應(yīng)力對(duì)比云圖

3)針對(duì)在分析模擬過程中出現(xiàn)的采場(chǎng)充填體會(huì)出現(xiàn)塑性破壞以及沉降等情況，建議礦山在生產(chǎn)采礦過程中，做好施工組織及規(guī)劃，在采場(chǎng)回采結(jié)束之前做好充填作業(yè)所需相關(guān)準(zhǔn)備工作，回采結(jié)束后盡快進(jìn)行充填，縮短回采周期，避免采場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的暴露；而在回采礦房時(shí)，在充填體附近區(qū)域作業(yè)時(shí)考慮調(diào)整爆破參數(shù)或減小一次爆破礦量，以此來減少爆破震動(dòng)對(duì)充填體造成的影響。

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The optimization of mining methods by FLAC3Din stooping safely and pillar extraction of Jinchangyu Gold Mine

WEN Jun-suo1，CHENG Wen-wen2，MIAO Guo-wei2

(1.China National Gold Group Corporation，Beijing 100011，China;2.Changchun Gold Research Institute，Changchun 130012，China)

With the continuous increase of the number of underground mine cavity in Jinchangyu Gold Mine in recent years，the cavity condition become more and more complicated.It may cause the surface subsidence at any time.So it is very urgent to carry out cemented waste rock backfills technology for cavity treatment and the stoping of remnant ores research.According to the similar mine experience，it proposed 4 remnant ores recovery schemes，and use FLAC3D to do the numerical simulation and analysis for the 4 schemes.The results showed that the first scheme of vertical stress，displacement and settlement and distribution of plastic zone and the maximum principal stress index is better than the other schemes.It tan guarantee the the overall safety and stability of production process.Therefore the first scheme is recommend for large-scale application in Jinchangyu Gold mine.

filling;FLAC3D;mining methods

2014-12-10

溫軍鎖(1960-)，男，任職于中國(guó)黃金集團(tuán)公司，主要從事采礦技術(shù)及生產(chǎn)管理工作。E-mail：cuisong0502@163.com。

TD82

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1004-4051(2015)03-0111-05