曹 輝，解聯(lián)庫，楊小聰

（北京礦冶研究總院，北京100160）

安徽某銅礦是一座現代化大型地下開采礦山，生產能力3500t／d。1＃礦體是其主要礦體，銅金屬量占總儲量80%以上，礦體平均厚40～50m，最大厚度達80～100m，傾角70°以上，礦體形態(tài)較規(guī)整，采礦方法主要為大直徑深孔嗣后充填采礦法，采場垂直礦體走向布置，分礦房、礦柱，間隔式兩步回采。從理論上說，采用自下而上的充填采礦法開采，也就是從礦體最底部逐中段由下至上開采并實施充填，可以實現礦體各階段之間的連續(xù)采礦，但隨著開采的進行，將有采場面臨上部與兩側充填體的包圍，因此，如何在充填體包裹條件下，尤其是在充填體的直接底部安全高效率地回采厚大礦柱，成為實現全礦范圍內垂直方向上的連續(xù)高效采礦的關鍵問題。

1 試驗采場現狀及周邊充填體情況分析

本次試驗采場為11＃房3采場（11R3），位于－510～－560m中段之間，采場上部為早已回采完畢的－400～－510m中段，11＃房上部采場為膠結充填體，兩側的礦柱采場－560m水平以上也已回采充填完畢，所以11R3存在于一個三面充填體包裹的條件下，因此，為確保采準工程施工及回采過程的安全，也為回采方案的選擇提供理論依據，有必要對兩側礦柱及上部采場充填體質量及穩(wěn)定性情況進行調查和分析。

1.1 周邊采場空區(qū)充填情況調查

如圖1所示，此次11＃房－510m～－560m中段周邊采場充填情況調查包括：11R－400～－510m中段采場、11P－477～－510m中段采場、9P－460～－510m中段上下盤采場、11P－510～－560m中段采場、9P－510～－560m中段上下盤采場。調查內容主要包括目前采場空區(qū)實際充填高度及充填體配比情況。

圖1 11＃房在1＃礦體縱投影圖中的位置

1.2 隔離層巖體聲波測試及充填體質量評價

根據前期開采設計及相關巖石力學研究分析［1－3］，11R3上部采場底部尾砂膠結充填體及未采的三角礦柱構成隔離層，隔離層穩(wěn)定性對11R3的回采起到至關重要的作用，此次研究除對周邊采場充填配比及高度情況進行調查外，還進行了隔離層（11＃房鑿巖硐室）聲波測試及充填體取樣力學參數試驗工作。

1.3 現場調查及測試結果分析

通過對11＃房周邊采場結構及回采充填基本情況的調查和對其采空區(qū)充填配比情況及充填體高度情況進行的統(tǒng)計分析可以看出：周邊空區(qū)充填體配比充填情況基本與設計相符，只是在9＃柱－460～－510m中段上、下盤采場空區(qū)由于進行了大量的廢石充填，對將來11＃房的回采構成了巨大的威脅；隔離層聲波測試及充填體取樣力學參數試驗結果表明隔離層膠結充填體強度及厚度達到設計要求。

2 回采方案的選擇

根據11＃房周邊采場充填情況，并考慮到充分利用礦區(qū)現有的探采工程、充填系統(tǒng)、礦山現有的人員技術力量和裝備水平，擬選擇：①大直徑深孔嗣后充填采礦法、②階段空場嗣后充填采礦法（φ60mm上向扇形中深孔）、③階段空場嗣后充填采礦法（φ100mm下向扇形深孔）三種方案，通過對三種回采方案的技術經濟指標對比分析可以看出（表1），第一種方案大直徑深孔嗣后充填采礦法為最佳回采方案。

3 回采方案的數值分析

根據以上方案論證及對比分析，11＃房決定選擇第Ⅰ方案（大直徑深孔嗣后充填采礦法）進行回采，但是由于其開采條件的特殊性，利用本方案開采時還應考慮是否劃分上、下盤回采單元進行回采，通過數值分析手段對兩種情況下礦塊回采過程中對周圍巖體及充填體的應力、位移、破壞情況進行對比分析，定性的確定回采影響范圍并最終確定最優(yōu)回采方案。

3.1 基本力學模型

3.1.1 巖體物理力學參數

模型中主要考慮3種巖體，即礦體、閃長巖（下盤巖體）和大理巖（上盤巖體）。目前礦山所用充填體類型為：高強度尾砂膠結充填體，灰砂設計配比為1∶4，主要用于采場（包括礦房和礦柱）底部作為假底；低強度尾砂膠結充填體，灰砂設計配比一般為1∶8、1∶10等，主要用于礦房充填。非膠結尾砂充填體不含水泥膠結材料，一般用于礦柱充填。計算模型中選用的巖體力學參數［4－5］如表2所示。

3.1.2 地應力

通過－280m、－400m和－580m三個中段的現場原巖應力測試結果可以看出，礦區(qū)地應力以水平應力為主，水平應力大于垂直應力。最大主應力的方向基本水平，方位由上部的近東西向轉向下部的近北東－南西向［6－10］。根據上述各中段的原巖應力測定結果回歸得到礦區(qū)水平最大主應力、最小主應力和垂直應力值與巖體深度的關系為：

表1 不同回采方案技術經濟指標對比分析

表2 計算模型中的巖體力學參數

3.1.3 幾何模型及單元劃分

根據研究對象的范圍和開挖的影響，三維計算模型的長、寬、高設置為640m、300m和550m。模型高度范圍為標高－720～－190m。計算模型共有127224個六面體單元，135198個節(jié)點。三維數值計算模型單元劃分情況及1＃礦體三維立體幾何形態(tài)如圖2所示。

圖2 礦區(qū)1＃礦體三維模型

3.2 回采方案模擬

對巖體來說，上部巖體開挖都對下部的每步開挖均會產生影響，不同的順序和步驟都將產生不同的力學效應和不同的巖體穩(wěn)定狀態(tài)。因此在進行試驗采場開采過程模擬分析時，應首先模擬上部礦體開采后形成的新的應力場，即按上部采場實際回采順序進行開采模擬分析，并將此應力環(huán)境作為試驗采場開采的初始應力場。

3.2.1 礦體幾何模型及回采現狀

數值分析模型分上、下兩部分，即－400m以上部分和－400m以下部分，先采－400m以上部分，再采－400m以下部分，各階段礦塊回采順序及充填情況與現場實際完全一致，并且模型中根據礦山實際在－400m中段保留了10m厚的水平礦柱。

3.2.2 11R3回采方案

針對11R3礦塊，分兩種回采方案考慮礦房回采，即劃分上下盤兩回采單元方案和整體回采方案，如圖4所示。

圖3 礦體模型縱剖面圖與礦體充填現狀對照圖

圖4 11R3開采方案平面圖

3.2.3 監(jiān)測點布置

為了動態(tài)了解整個回采過程，充填體礦柱、圍巖中的應力變化及頂板下沉情況，特布設4個應力監(jiān)測點（主要監(jiān)測兩次充填礦柱的應力變化）和3個位移監(jiān)測點（主要監(jiān)測采空區(qū)頂板的沉降）對采空區(qū)附近巖體的力學特性進行實時監(jiān)測，以更好的了解不同開采方式對圍巖及充填礦柱的影響情況。表3列出了監(jiān)測點的詳細信息。

3.3 數值模擬結果分析

1）11R3礦塊的回采會對周圍巖體及充填礦柱的應力狀態(tài)產生一定影響，由于充填體承受應力能力較小，采空后礦巖應力發(fā)生轉移由采空區(qū)周邊巖體承擔，而隅角處承擔頂板傳來的雙向應力，易發(fā)生局部應力集中現象，11R3上下盤圍巖應力集中處，最大水平應力能達到38MPa，約為同一深度的原巖應力21MPa的1.8倍。

2）結合應力監(jiān)測結果還可以看出，礦塊的開采對兩側充填體和上下盤圍巖的影響不同，上盤巖體的受力程度高于下盤巖體，11P23膠結充填體礦柱的受力情況要高于9P3膠結礦柱。另外11P23，13R23下盤圍巖及9P3、7P3礦柱也受到較大集中應力影響。

3）開采引起的巖體位移變化及頂板下沉情況表明，11R3礦塊采后周圍巖體的水平位移指向空區(qū)，空區(qū)的頂板下沉規(guī)律為靠近上盤處頂板的下沉位移量最大，整個下沉曲線為勺形，最大沉降量為70～80mm；頂板拉應力最大為0.36MPa，小于頂板拉破壞強度。

4）從模型數值分析結果總體上看，分上、下盤兩回采單元回采方案在周圍巖體、充填礦柱、頂板隔離層受力及危險控制方面要優(yōu)于整體單元回采。

表3 監(jiān)測點詳細信息

4 結論

1）通過對周邊空區(qū)充填高度及充填體配比充填情況的調查核實，基本能夠按照原設計充填量配比情況進行充填作業(yè)，周圍空區(qū)實際充填情況與設計相符。

2）結合前期巖石力學研究結果，對11R3上部采場隔離層，進行了巖體聲波測試及充填體取樣力學試驗工作，綜合分析測試結果表明隔離層的完整性及強度達到設計要求。

3）通過對試驗采場3種采礦方案的技術經濟指標對比分析，確定采用大直徑深孔嗣后充填采礦法作為該礦塊的整體開采技術方案。

4）通過現場調查、試驗、分析等工作掌握了11R3外部充填體分布情況及其基本力學特征，并進一步結合數值計算分析，確定充填體包裹下11R3的最優(yōu)回采方案為劃分上、下盤兩回采單元進行開采，目前該礦房已經成功安全回采。

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