陶傳寶

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司, 安徽銅陵市 244000)

安慶銅礦深部厚大礦體回采方案數(shù)值模擬研究

陶傳寶

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司, 安徽銅陵市 244000)

安慶銅礦采用大直徑深孔嗣后充填采礦法回采深部厚大礦體,實(shí)踐表明,合理的開采順序是維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定、保證礦山安全開采的前提。對(duì)安慶銅礦深部厚大型主礦體開采技術(shù)條件進(jìn)行了分析,并對(duì)開采方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析比較,以實(shí)現(xiàn)深部厚大型主礦體安全順利回采。

大直徑深孔;水平礦柱;采場(chǎng)穩(wěn)定性;充填體;三維數(shù)值分析

0 前 言

安慶銅礦是一座大型銅鐵地下礦山,設(shè)計(jì)采選能力3500 t/d。主礦體賦存標(biāo)高-180～-780 m,為接觸交代矽卡巖型鐵銅礦床,走向125°～305°,傾向總體南西,部分北東,屬急傾斜礦體,平均厚度40～50 m,厚大區(qū)域達(dá)100 m。主礦體采用高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法回采,采場(chǎng)一般垂直礦體走向布置,采場(chǎng)寬15 m,長(zhǎng)為礦體厚度,采后一次性充填,其中礦房尾砂膠結(jié)充填,礦柱為尾砂充填。鑿巖設(shè)備為Simba-261型潛孔鉆機(jī),炮孔直徑165 mm。采用ST系列鏟運(yùn)機(jī)出礦,斗容3.8～4.0 m3。該方法具有生產(chǎn)能力大,采礦效率高,作業(yè)成本低,礦石損失、貧化小等優(yōu)點(diǎn)。

1 開采方案研究

安慶銅礦1#主礦體西部厚大區(qū)域一直延伸至-640 m中段,-560～-580 m中段20 m水平隔離礦柱是否需要保留,-640 m中段采場(chǎng)與上部-560 m中段采場(chǎng)如何相互銜接以及-640 m中段的開采順序,都是開采-640 m中段必須要解決的問題。在綜合考慮1#礦體-400～-640 m中段開采方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)行1#礦體-560～-640 m中段厚大區(qū)域的開采方案數(shù)值模擬研究[1]。

本文針對(duì)-560～-640 m中段厚大區(qū)域提出了3種開采方案:方案1,保留-560～-580 m水平礦柱;方案2,不保留-560～-580 m水平礦柱, -560 m上下分采,即先采-560 m上部,再采-560 m下部;方案3,不保留-560～-580 m水平礦柱,礦房、礦柱垂直交錯(cuò)布置。

采用大型三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D進(jìn)行模擬開采,對(duì)開采方案的開采全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),從巖體和充填體的破壞情況以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等方面考慮,對(duì)比分析各開采方案的優(yōu)劣,揭示其潛在的地壓?jiǎn)栴},并論證方案的可行性。對(duì)于方案2和方案3,還設(shè)定了多組充填體強(qiáng)度指標(biāo)分別進(jìn)行計(jì)算,以確定這兩種方案的充填體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 巖體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型中主要考慮礦體、閃長(zhǎng)巖、大理巖和尾砂充填體。礦體下盤為閃長(zhǎng)巖,礦體上盤為大理巖?，F(xiàn)實(shí)中相對(duì)少量的矽卡巖歸至閃長(zhǎng)巖一類中[2]。尾砂充填體共分為3類:灰砂比為1∶4的高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體,主要用于采場(chǎng)底部作為假底;灰砂比為1∶10的低強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體,主要用于一步驟采場(chǎng)充填;非膠結(jié)尾砂充填體,不含水泥膠結(jié)材料,主要用于二步驟采場(chǎng)充填。計(jì)算模型中選用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示[2-4]。

表1 計(jì)算模型中的巖體力學(xué)參數(shù)

表2 數(shù)值模擬計(jì)算選用的充填體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 地應(yīng)力

安慶銅礦地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。最大主應(yīng)力的方向基本水平,方位由上部的近東西向轉(zhuǎn)向下部的近北東-南西向。隨著深度的增加,地應(yīng)力也隨之增大[2-4]。根據(jù)原巖應(yīng)力測(cè)定結(jié)果,回歸得到安慶銅礦水平最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和垂直應(yīng)力值與巖體深度的關(guān)系式為:

式中,假定地表標(biāo)高為+50 m,本文-580 m以下的地應(yīng)力也由該組公式進(jìn)行計(jì)算。

1.3 強(qiáng)度準(zhǔn)則

本文對(duì)巖體材料采用具有弱化性能的虎克-布朗(Hoek-Brown)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則:

式中,σs是在巖石峰值強(qiáng)度時(shí)的最大主應(yīng)力,σ3是最小主應(yīng)力,σc是巖石單軸抗壓強(qiáng)度,m和s為材料常數(shù),它們?nèi)Q于巖石性質(zhì)和原始破裂狀況。此外,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),材料單元將發(fā)生拉破壞。而對(duì)充填體則采用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

1.4 計(jì)算分析模型

FLAC3D特別適合于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及模擬大變形,能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)特性。通過(guò)數(shù)值模擬可以得知巖土開挖后巖土體內(nèi)部的特性及其破壞機(jī)理。因此,本文將選用FLAC3D軟件進(jìn)行安慶銅礦深部厚大礦體開采方案的數(shù)值模擬研究。

三維計(jì)算模型的長(zhǎng)、寬、高設(shè)置為680,300 m和530 m。模型長(zhǎng)度方向?yàn)榈V體的走向方向,模型寬度方向垂直礦體走向,模型高度范圍為標(biāo)高-680～-150 m(見圖1)。

2 開采方案模擬分析

2.1 方案1

圖1 計(jì)算分析模型

方案1數(shù)值分析模型如圖2所示。-580～-640 m中段采用“隔一采一”的回采原則。-560～-580 m底臺(tái)暫不回采,先采-560 m上部,再采-580 m下部。P23下部礦房,采用尾砂膠結(jié)充填,底部高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體假底厚度為10 m。R3礦柱采場(chǎng)采用尾砂非膠結(jié)充填,底部高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體假底厚度為15 m。從-400 m以下開始計(jì)算開采步驟,這樣從-400～-640 m共分12步回采,依次是:

(1)11R12,7R12,3R12,2R12,6R1,10R1;

(2)11P23,9R12,5R12,1R12,4R1,8R1,12R1;

(3)4P23,9P23,5P23,1P23;

(4)9P1,5P1,1P1,4P1,8P1,12P1;

(5)7P23,3P23,2P23;

(6)7P1,3P1,2P1,6P1,10P1;

(7)13R23,9R3,5R3,1R3;

(8)11R3,7R3,3R3,2R3;

(9)9R4,5R4,1R4;

(10)7R4,3R4,2R4;

(11)9P4,5P4,1P4;

(12)7P4,3P4,2P4,4P4。

方案1的關(guān)鍵問題是-560～-580 m礦體底臺(tái)的穩(wěn)定性,即在回采-580～-640 m中段時(shí),水平礦柱能否起到安全隔離作用。因此,方案1的數(shù)值模擬計(jì)算將重點(diǎn)分析該水平礦柱的穩(wěn)定性。

圖2 方案1數(shù)值分析模型

方案1數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)保留-560～-580 m水平礦柱時(shí),20 m的水平礦柱只在下部第一步礦房回采時(shí)比較穩(wěn)定,而在礦柱回采階段,水平礦柱的破壞將非常嚴(yán)重,難以保證-560 m下部礦柱回采的安全。

2.2 方案2

方案2數(shù)值分析模型如圖3所示。該方案先采-560 m以上部分,然后再采-560 m以下部分,在每采充完-580～-640 m中段單個(gè)采場(chǎng)之后,立即回采該采場(chǎng)上部的-560～-580 m底臺(tái),這樣最終不保留水平礦柱。-560 m上下采場(chǎng)布置可以水平對(duì)齊,也可水平錯(cuò)開,本文按水平對(duì)齊方式進(jìn)行布置。-560 m以下采場(chǎng)仍按“隔一采一”的原則回采,其開采順序和充填方式與方案1基本相同。該方案-400 m以下可具體分16步回采,前8步與方案1相同,后8步依次為:

(1)13RZ,9R4,5R4,1R4;

(2)9RZ,5RZ,1RZ;

(3)11RZ,7R4,3R4,2R4;

(4)11PZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(5)9P4,5P4,1P4;

(6)9PZ,5PZ,1PZ;

(7)7P4,3P4,2P4;

(8)7PZ,3PZ,2PZ,4P4。

本方案-560 m中段采場(chǎng)的高強(qiáng)度膠結(jié)充填體假底及殘留的三角礦柱將構(gòu)筑成-560 m的隔離層,該隔離層能否起到安全隔離作用是本方案下部采場(chǎng)能否安全回采的關(guān)鍵。因此,方案2的數(shù)值模擬計(jì)算將重點(diǎn)分析該隔離層的穩(wěn)定性,并依此確定方案的可行性。

圖3 方案2數(shù)值分析模型

方案2數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)采用不保留-560～-580 m水平礦柱并且先采-560 m上部再采下部時(shí),要求-560 m中段P23采場(chǎng)的假底厚度大于10 m,R3采場(chǎng)的假底厚度大于15 m,假底強(qiáng)度大于充填體1a標(biāo)準(zhǔn)(C＝0.9 MPa,φ＝30°,對(duì)應(yīng)σc＝3.1 MPa),并且-560 m下部的礦房尾砂膠結(jié)充填必須能充分接頂。在此條件下由-560 m中段采場(chǎng)充填體假底和三角礦柱構(gòu)成的水平隔離層才能起到安全隔離作用。

2.3 方案3

方案3數(shù)值分析模型如圖4所示。在-560 m上下采用礦房、礦柱垂直交錯(cuò)布置方式。下部的R4和RZ為礦房,采用尾砂膠結(jié)充填,而上部的R3為礦柱,主要采用尾砂充填。R類采場(chǎng)是由-640 m中段開始向上回采,即先采充-580～-640 m,再采充-560～-580 m底臺(tái),然后再回采-510～-560 m。

該方案數(shù)值模擬回采步驟可分為16步,前6步與方案1相同,后10步依次為:

(1)9R4,5R4,1R4;

(2)13RZ,9RZ,5RZ,1RZ;

(3)13R23,9R3,5R3,1R3;

(4)7R4,3R4,2R4;

(5)11RZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(6)11R3,7R3,3R3,2R3;

(7)9P4,5P4,1P4;

(8)9PZ,5PZ,1PZ;

(9)7P4,3P4,2P4;

(10)11PZ,7PZ,3PZ,2PZ。

P23采場(chǎng)在-560 m中段采用的是尾砂膠結(jié)充填,其底部以10 m厚的高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體作為假底。R3采場(chǎng)及RZ采場(chǎng)將在-545～-565 m的20 m高度范圍內(nèi)充填高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體,該尾砂膠結(jié)充填體與P23的假底及其殘留的三角礦柱共同構(gòu)成了-560 m的水平隔離層。

圖4 方案3的數(shù)值分析模型

方案3數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)P23采場(chǎng)尾膠體假底厚度達(dá)到10 m,強(qiáng)度達(dá)到粘結(jié)力C＝0.9 MPa、內(nèi)摩擦角φ＝30°,對(duì)應(yīng)單軸抗壓強(qiáng)度σc＝3.1 MPa; R3和RZ的隔離層尾膠體厚度達(dá)到20 m(標(biāo)高-545～-565 m),強(qiáng)度達(dá)到C＝1 MPa、φ＝35°,對(duì)應(yīng)σc＝3.8 MPa時(shí),由高強(qiáng)度尾膠體和殘留三角礦柱共同構(gòu)成的-560 m水平隔離層能起到安全隔離作用,可以防止-560 m上部的尾砂充填體發(fā)生大規(guī)模的垮落。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種開采方案的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知,方案1在礦柱回采階段,水平礦柱的破壞將非常嚴(yán)重,難以保證下部礦柱回采的安全,同時(shí)考慮安慶銅礦目前的充填工藝與充填技術(shù),實(shí)現(xiàn)尾砂膠結(jié)充填充分接頂是比較困難的,而充填接頂對(duì)方案2的安全開采極為重要,因此方案1和方案2不可行。方案3中的R類采場(chǎng)則是從-640 m逐步向上回采,因此在-560 m不存在充填接頂問題,同時(shí)采用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體構(gòu)筑成的隔離層能夠滿足開采安全性的要求。

研究認(rèn)為,在所分析的3種開采方案中,方案3具有更好的可行性,因此采用不保留-560～-580 m水平礦柱,礦房、礦柱垂直交錯(cuò)布置的開采方案進(jìn)行深部厚大礦體的回采。

[1]高 進(jìn).豐山銅礦北緣采礦方法優(yōu)化比較好[J].采礦技術(shù), 2011,11(6):14-17.

[2]唐紹輝.安慶銅礦巖體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),1997,17(1):30-33.

[3]李 政.安慶銅礦2#礦體開采穩(wěn)定性研究[J].湖南有色金屬,2006,22(5):1-3.

[4]胡飛宇.安慶銅礦特大型采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].有色金屬(礦山部分),2006,58(3):14-17.

2012-04-01)

陶傳寶(1962-),男,江蘇南京人,采礦工程師,主要從事礦山采礦技術(shù)管理工作,Email:taocb@tlys.cn。