陡傾斜薄礦體淺孔留礦法采場圍巖穩(wěn)定性分析

翟會超 楊 勇 胡巍巍 董志富 孫長坤

(云南黃金礦業(yè)集團股份有限公司，昆明 650000)

紅牛銅礦屬高海拔地下矽卡巖型礦床，礦體特征變化復雜，其中部分礦體厚度為0.4～6 m，平均厚度3 m左右，平均傾角72°～86°，為陡傾斜薄礦體。研究采用淺孔留礦法開采[1-2]，因礦體出露于大理巖、角巖接觸帶，接觸帶附近節(jié)理裂隙均發(fā)育，部分巖層破碎，局部滲水，采場回采礦石過程中，上下盤片幫冒落現象突出，貧化率和損失率難以控制。為降低井下回采貧損指標，利用FLAC3D進行采場圍巖穩(wěn)定性分析，進而采取有效措施保障生產。

1 開采模擬分析

1.1 數值模型

利用ANSYS進行建模，后經處理轉換為FLAC3D文件生成三維模型(如圖1所示)。模型x方向0～112 m，y方向0～80 m，z方向0～163.5 m，除地表作為自由邊界以外，其他邊界均為固定位移邊界條件。地表、礦體、近礦圍巖采用典型剖面設計，其中模型節(jié)點數19 499個，單元數17 280個，運用摩爾—庫倫本構關系進行陡傾斜薄礦體淺孔留礦法的開采過程模擬計算[3-9]。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

1.2 材料參數

數值分析模型中主要包含了礦體、角巖、大理巖三種巖性，其物理力學性質參數見表1。

1.3 模擬計算

紅牛銅礦陡傾斜薄礦體采用淺孔留礦法開采，采場長度50 m，間柱4 m，底部采用平底方式出礦，間柱內開掘人行天井，每個3 m向采場內掘進聯絡道。數值模擬采場內分層向上淺孔留礦回采，分層4～6 m，以及集中放礦后采場圍巖的穩(wěn)定性。

1)應力分析

主要通過觀測采場沿長度方向中部位置的剖面上最大、最小主應力和剪應力，統計每次分層開采后在散體礦石堆充填作用下敞開空間圍巖的應力分布規(guī)律。分層開采主應力和剪應力場見圖2、圖3。

圖3、圖4表明淺孔留礦法在集中放礦前，散體礦石對采場上下盤起到了一定的充填限制作用。其中，采場下盤巖體內最小主應力從集中放礦前的1.2～1.5 MPa提高到集中放礦后的1.75～2.2 MPa(壓應力)，最大主應力在上下盤巖體內均出現了轉向拉應力作用的趨勢，尤其是上盤采場中上部出現了0.024 MPa的拉應力。剪應力則因集中放礦使大采空區(qū)產生了3.65 MPa的數值，對比原來提高了1.5倍。

2)位移分析

對比集中放礦前后的位移云圖和矢量圖(如圖4)。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

圖2 主應力云圖Fig.2 Principal stress nephogram

圖3 剪應力云圖Fig.3 Shear stress nephogram

圖4 位移場云圖Fig.4 Displacement nephogram

數值計算表明淺孔留礦法分層上向回采，存留在采場內的礦石散體有力地擠壓上下盤巖體，阻止幫巖向采場內片落。其中上下盤巖塊位移矢量說明礦石散體對幫巖有一定的支撐作用，使得巖塊傾斜向采空區(qū)內移動，而集中放礦因礦石散體的大量流出，上下盤失去支撐點，能量進一步向采空區(qū)內釋放，巖塊位移方向明顯近垂直上下盤巖面。另外，上盤位移最大值0.55 mm與1.01 mm的差距也反映了放礦前后散體充填物對圍巖的支撐作用。

3)塑性區(qū)分析

通過對每一分層開采和集中出礦的塑性區(qū)域跟蹤，力學破壞體現在下盤巖體在分層開采過程中的結構面擴展，主要為剪切破壞(見圖5)。而上盤巖體只是在采場根部出現兩個分層對應的塑性破壞。這與上下盤巖性密切相關，提示在分層開采過程中要做好不利巖性盤面的支護。

Block State:塊體狀態(tài)；Plane:on；剖面：開；None:無；Shear-p:曾經剪切破壞；Shear-n:正在剪切破壞；Tension-p:曾經拉伸破壞圖5 塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution

綜上所述，對于紅牛銅礦陡傾斜薄礦體采用淺孔留礦法開采，在采場分層作業(yè)時會因上下盤近礦巖性弱、結構弱面發(fā)育、大理巖角巖接觸帶破碎而造成一次貧化，甚至損失。在集中出礦，倘若不能強采強出，做好放礦管理，采空區(qū)隨著礦石面的下降而增加暴露面積和暴露時間，可帶來大范圍片幫冒落，加劇采場內的二次損失和貧化。

2 開采技術優(yōu)化方案

針對紅牛銅礦陡傾斜薄礦體開采現狀和模擬結果，對現有淺孔留礦法開采技術進行優(yōu)化，利用技術與管理雙重控制模式，通過技術手段和管理措施加強精細開采，降低損失貧化。

1)支護方法

為保證采場礦石回采過程中上下盤不發(fā)生片幫冒落，研究采用錨桿對威脅結構面和零星大塊加固[10]。錨桿端部要進入到基巖層內(見圖6)，加固結構面依據其產狀，盡量使錨桿與面垂直或大角度斜交，錨桿采用1.5 m～2 m×1.5 m～2 m排間距交錯布置，起到組合加固作用；加固零星大塊不考慮錨網參數，起到懸吊或懸掛作用即可。孤立零星大塊如若不能支護，可先利用機械或爆破方式將其破碎成小塊，再通過人行天井分離，減少廢石混入。

圖6 錨桿支護Fig.6 Anchor bolting

2)爆破優(yōu)化

為減少爆破震動對圍巖的破壞，以及能夠較準確控制礦巖界限，降低不必要的損失和貧化，研究將原水平孔改為上向淺孔爆破落礦[11]。設計傾角為70°的上向炮孔、孔深2.5 m(有效孔深2.3 m)、孔間距a=1 m、排間距b=0.8 m；變更起爆方式為V型起爆減小圍巖爆破作用力。爆破參數見表2。

表2 爆破參數Table 2 Blasting parameters

炮孔布置圖見圖7：

圖7 炮孔布置圖Fig.7 Hole arrangement design

炮孔采用連續(xù)不耦合裝藥，在孔底反向起爆炸藥包，導爆管雷管起爆，同次分段爆破。如圖6所示，孔2、3為1段起爆，孔1、4、6、7為3段，孔5、8、10、11為5段，孔9、12、14、15為7段，孔13、16為9段，單孔藥量均為1.2 kg，最大單次起爆藥量4.8 kg。優(yōu)化后的爆破設計不僅能夠保證對礦體圍巖的最低震動干擾，還可很好地控制礦巖界限，降低一次損失貧化，這也較好地適應紅牛銅礦礦體產狀分枝復合變化特點。另外，分層落礦不分梯段單層一次推進。

3)放礦管理

將放礦管理意識貫穿于前期上向淺采的少量出礦和后期集中放礦，始終讓采場內部礦石散體頂面能夠均勻下降。尤其是后期的集中放礦，對每個底部結構出礦川都要嚴格控制鏟運機出礦數量，做到順序出礦，并做到及時取樣、化驗，分析放出體品位變化趨勢，為后續(xù)平衡出礦和管理提供依據。另外，利用人行天井對集中放礦過程中逐漸暴露出來的采空區(qū)上下盤進行監(jiān)測，驗證錨桿對兩盤巖層的加固作用，找出片幫位置和應力作用效應，并觀測礦石下降面。為淺孔留礦法放礦控制和采場結構參數，乃至本類采礦方法的適用性提供試驗數據參考，進而優(yōu)化本采礦法。

綜上所述，兼顧技術與管理的雙重控制，可有效提高采場出礦質量，降低損失率和貧化率，達到充分回收利用礦石資源的目的。

3 結論

1)利用ANSYS搭建淺采數值模型(x方向0～112 m，y方向0～80 m，z方向0～163.5 m，節(jié)點數19 499個，單元數17 280個)，可實現導入FLAC3D后的高效力學計算。

2)通過對應力場、位移場和塑性破壞分析，發(fā)現分層回采時因近礦大理巖角巖接觸帶破碎造成一次貧化和損失。合理推測在沒有改善措施下，因暴露面積和暴露時間逐漸加大，將導致大范圍片幫冒落，加劇采場內的二次損失和貧化。

3)采用錨桿對威脅結構面和零星大塊加固。設計(1.5～2) m×(1.5～2) m的錨桿排間交錯布置方式，充分利用錨桿組合加固和懸吊、懸掛作用。對不能支護的孤立大塊，先破碎后經天井剝離，減少廢石混入。

4)優(yōu)化爆破方式與參數實現減輕爆破干擾、控制礦巖界限，降低一次損失貧化，較好地適應紅牛銅礦礦體產狀分枝復合變化特點。

5)加強放礦管理，形成技術與管理雙重控制，有效提高采場出礦質量，充分回收利用礦石資源。