甲瑪銅多金屬礦盤區(qū)合理回采順序動態(tài)模擬研究

關(guān)士良，陳國良，王志修，解聯(lián)庫

(1.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，拉薩 850200；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

礦山大規(guī)模的開采行為，導致應力場的重新分布，產(chǎn)生新的應力集中區(qū)和卸壓區(qū)，致使巷道和采場周圍巖體變形和破壞[1]，極易誘發(fā)災害，危及人員與設(shè)備安全，影響礦山正常有序的生產(chǎn)。地壓活動與采礦方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采強度、回采順序緊密相關(guān)，尤其是回采順序?qū)Σ蓤龆螒Φ姆植加绊戄^大。合理的回采順序，能使巖體開挖聚集的能量得到及時有效釋放，避免開采過程中的應力集中，防止大規(guī)模突發(fā)性地壓活動的現(xiàn)象[2]。因此，在客觀因素一定的情況下，尋找合理的礦體回采順序是解決采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

目前，在回采順序優(yōu)化方面，國內(nèi)外學者主要從工程與巖體穩(wěn)定性角度進行研究，比較常用的方法有：遺傳和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、數(shù)值分析法、混合整數(shù)規(guī)劃法、工程類比法、相似模擬試驗法等[3-8]。如紅透山銅礦、程家溝鐵礦與金山店鐵礦的回采順序優(yōu)化[9-11]等。 由于數(shù)值分析方法方便靈活、準確度較高，因此得到了廣泛的應用。

本文以甲瑪多金屬礦地下二期開采工程為依托，采用數(shù)值分析方法，運用FLAC3D軟件，針對盤區(qū)不同回采方案帶來的應力、變形分布規(guī)律進行分析研究，得出最佳回采順序方案，為礦山安全高效回采提供科學指導。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦位于高山區(qū)的分水嶺地帶，地質(zhì)構(gòu)造作用較強烈，巖體破碎程度較高，巖體風化帶厚度較大。礦體賦存空間海拔標高3 700～4 550 m，厚度10～50 m，礦石和圍巖為堅硬—較堅硬巖組。礦體頂、底板巖層節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度隨深度增加而迅速降低；其完整程度漸增。工程地質(zhì)勘探類型屬第三—四類，工程地質(zhì)復雜程度屬中等型。

目前礦區(qū)礦床總體為露天—地下聯(lián)合開采，露天采礦主要包括牛馬塘、銅鉛山和角巖三個露天采場，其中，牛馬塘、銅鉛山已回采完畢。牛馬塘露天坑及角巖露天坑位于二期地下開采工程的上部。

2 盤區(qū)回采規(guī)劃方案

根據(jù)礦體賦存條件及現(xiàn)場工程布置情況，考慮中深孔嗣后充填采礦法的生產(chǎn)工藝并遵循卸壓式開采理論，在水平方向上確定間隔回采與連續(xù)回采兩種回采順序方案。

地下二期開采區(qū)域礦體分成一標段、二標段及三標段，其中一標段開采高度范圍為4 460～4 490 m，平面上分六個盤區(qū)。二標段及三標段開采高度范圍為4 420～4 490 m，平面上均分成四個盤區(qū)，豎向分為3個中段。盤區(qū)規(guī)劃方案見圖1。

圖1 盤區(qū)回采規(guī)劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of panel mining planning

回采順序總體上為自下而上，即先開采一標段(4 460～4 490 m)、二標段及三標段的4 420～4 440 m中段，再開采二、三標段4 440～4 465 m中段，最后開采二、三標段4 465～4 490 m中段，具體盤區(qū)回采規(guī)劃方案見表1。

盤區(qū)內(nèi)礦體分為礦房與礦柱，采用“隔三采一”的回采方式，礦房和礦柱分步回采寬度均為15 m，先采礦房，后采礦柱，每步采場回采完畢后礦房采用尾砂膠結(jié)充填；礦柱采用尾砂或廢石充填。盤區(qū)間預留盤區(qū)柱，除一標段4～5盤區(qū)及二、三標段4～5盤區(qū)的盤區(qū)柱寬為20 m外，其余盤區(qū)柱寬均為15 m。

3 數(shù)值模型建立

3.1 工程地質(zhì)模型及監(jiān)測點構(gòu)建

建立合理的三維模型是進行數(shù)值模擬和結(jié)果分析的基礎(chǔ)和前提。根據(jù)甲瑪銅礦體的賦存條件及開采現(xiàn)狀，建立了三維計算模型，模型X方向為2 680 m，Y方向為1 500 m，上部邊界為實際地表，模型主要包括所選定的地下二期開采區(qū)域、牛馬塘、角巖兩個露天采場及地下二期開采區(qū)域?qū)牡乇碛绊懛秶Ｐ凸矂澐譃?48 809個單元，83 676個節(jié)點。同時為了更為清晰地闡述地下二期開采過程中的盤區(qū)采場、盤區(qū)柱應力及位移情況，有針對性地選取不同位置的變形監(jiān)測點、應力監(jiān)測點及典型剖面，以最大程度地反映不同回采順序開采過程及開采后的動態(tài)響應。工程地質(zhì)力學模型及具體監(jiān)測點見圖2。

3.2 數(shù)值模型參數(shù)的確定

甲瑪銅多金屬礦的礦巖屬于脆性硬巖，采場開挖與充填使圍巖處于加壓卸載重復過程，導致圍巖主要進入塑性破壞狀態(tài)，因此計算采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則為摩爾-庫倫準則，其主要物理力學參數(shù)見表2所示。

表1 盤區(qū)回采規(guī)劃方案Table 1 Panel mining planning

表2 工程巖體物理力學特性指標Table 2 Physical and mechanical characteristic indexes of engineering rock mass

4 模擬結(jié)果分析

4.1 回采順序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，在開采過程中不同回采順序?qū)Ω鞅P間柱監(jiān)測點的影響程度不同。監(jiān)測點3布置在一標段3、4盤區(qū)4 475 m水平的盤間柱中，在一標段開采時，該盤間柱受到不同盤區(qū)的開采應力在不斷變化，隨著該標段1～4盤區(qū)的采空和充填，盤間柱上的監(jiān)測點出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，但最終隨著充填完畢應力處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明盤間柱能夠承載上覆巖層重量，具有強力支撐作用；監(jiān)測點4布置在三標段2、3盤區(qū)4 475 m水平的盤間柱中，在一標段及二、三標段的4 420～4 440 m中段及4 440～4 465 m中段開采時，該監(jiān)測點受到開采的擾動較小，最大及最小主應力隨之變化較小，在4 465～4 490 m中段開采時，隨著采空及充填的進行，盤間柱上的監(jiān)測點出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，對頂板具有強力支撐作用，盤間柱強度發(fā)揮明顯作用，并未達到巖體的抗剪及抗壓強度，盤間柱不會出現(xiàn)嚴重的破壞現(xiàn)象。

圖4可以看出，在地下二期回采后，間隔回采與連續(xù)回采兩種回采方式在回采完畢后，最小主應力轉(zhuǎn)移和重分布范圍相對較大，對于整個區(qū)域應力場的改變較大，主要體現(xiàn)在開采區(qū)域的頂板區(qū)域中出現(xiàn)一定高度的卸壓，卸壓的直接結(jié)果導致頂板出現(xiàn)一定程度的移動；同時可以看出，在盤間柱及周邊均產(chǎn)生一定程度的應力集中，說明整個地下二期回采完畢后對覆巖的主要支撐結(jié)構(gòu)為盤間柱及周邊圍巖；在盤間采場內(nèi)部，受到膠結(jié)充填體和非膠結(jié)充填體的作用，充填區(qū)域成為應力釋放的空間，其支撐作用相對有限，對于覆巖的支撐作用主要靠盤間柱及盤間周邊的圍巖實現(xiàn)。

4.2 回采順序?qū)敯宸€(wěn)定性的影響

在一標段及二、三標段的盤區(qū)頂板區(qū)域設(shè)置了兩條豎向監(jiān)測點。通過豎向監(jiān)測平面的兩條監(jiān)測線的不同階段統(tǒng)計，結(jié)果從圖5可以看出，位于一標段4盤區(qū)頂板的不同高度的監(jiān)測點的沉降量在3個回采階段過程中均出現(xiàn)間隔回采的沉降量小于連續(xù)回采的沉降量，但兩者差距不大。間隔回采與連續(xù)回采在1號監(jiān)測點處沉降量基本相同，隨著高度增加間隔回采與連續(xù)回采沉降量均減小，由于受到充填體的充填作用影響，最終該處監(jiān)測點的沉降量趨于穩(wěn)定；3標段3盤區(qū)頂板監(jiān)測點也呈現(xiàn)出同樣的特點，隨著三個不同階段的上向回采，開采區(qū)域?qū)敯宓牟煌叨忍幍南鲁亮坎粩嘣黾?。連續(xù)回采方在3個階段回采過程中沉降量均小于間隔回采方式，在第3階段回采后，1號監(jiān)測點連續(xù)回采方式最大沉降量與間隔回采方式最大沉降量相差大約10 mm。從4 420～4 490 m開采區(qū)域?qū)捻敯宀煌叨忍幾冃畏矫婵梢钥闯?，在回采順序上，間隔回采方式優(yōu)于連續(xù)回采方式。

圖2 工程地質(zhì)力學模型及監(jiān)測點布置圖Fig.2 Engineering geological mechanical model and monitoring point layout1、2-布置在采場頂板豎向監(jiān)測點(示意圖見c)；3、4-布置在盤間柱內(nèi)的主應力監(jiān)測點

圖3 盤間柱豎向應力-計算時步關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship curve of panel column vertical stress-calculation time step①表示一標段及二、三標段的4 420～4 440 m中段開采過程；②、③表示二、三標段4 440～4 465 m中段及4 465～4 490 m中段開采過程

(a)間隔回采(4 480 m水平切面) (b)連續(xù)回采(4 480 m水平切面)圖4 地下二期開采區(qū)域最小主應力分布圖Fig.4 Minimum principal stress distribution map of underground second-stage mining area

(a)一標段4盤區(qū)頂板監(jiān)測剖面 (b)三標段3盤區(qū)頂板監(jiān)測剖面圖5 盤區(qū)頂板監(jiān)測剖面不同高度—沉降量關(guān)系圖Fig.5 Diagram of different height-settling amount of the roof monitoring section of the panel

5 結(jié)論

1)礦體回采過程中，礦柱及回采范圍周邊的應力集中區(qū)域逐漸擴大，應力集中程度大幅度提高。間隔回采方案盤間柱的主應力變化更優(yōu)于連續(xù)回采方案的主應力變化，間隔回采易于采場頂板管理，其安全性控制優(yōu)于連續(xù)回采方案。

2)在三個回采階段的盤間內(nèi)部，受到膠結(jié)充填體和非膠結(jié)充填體的作用，所有充填區(qū)域成為應力釋放的空間，其支撐作用相對有限，對于覆巖的支撐作用主要靠盤間柱及盤區(qū)周邊的圍巖實現(xiàn)。

3)分析兩種回采順序方案在開采區(qū)域內(nèi)引起的地壓變化及頂板移動等關(guān)鍵指標表明，在對盤區(qū)礦體進行回采時，間隔回采方案比較合理。