寇 坤 聶興信

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安710055;2.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安710055)

某礦區(qū)主要為金銅礦，礦體屬于厚大型，傳統(tǒng)意義上適宜利用大型設(shè)備進行大規(guī)模開采。又由于礦區(qū)位于湖區(qū)之下，對地表的沉降要求較高，隔水層不能被破壞且地表不能夠陷落，故采場參數(shù)的選取受到了很大限制。但整個礦床中礦石含金、銅且品位較高，又要求最大限度地回收礦產(chǎn)資源，降低貧化率。目前該礦山現(xiàn)有的采礦方法難以滿足盡可能多地回收資源這一目標(biāo)，并且當(dāng)?shù)V體揭露后，上下盤圍巖迅速風(fēng)化，顯示出強塑性的變形特征;井巷工程遭到了嚴(yán)重破壞;圍巖極易冒落，難以實現(xiàn)礦山安全、低貧化開采。因此有必要開展“水體下軟弱圍巖高價值中厚礦床開采技術(shù)研究”，解決該礦體頂板極不穩(wěn)固、高價值礦床安全、高效開采的技術(shù)難題，為該礦礦區(qū)大幅度提高礦石產(chǎn)量，促進企業(yè)做大做強提供技術(shù)保障。

1 開采技術(shù)狀況

該礦體主要為中厚和厚大型的礦體，完整性、強度從上到下逐漸變好，致密堅硬的塊狀礦石多集中在中下部，整體穩(wěn)固性較好。礦體上部分母巖為角礫巖，膠結(jié)性能較好。但由于矽卡巖角礫被局部侵入了黏土，從而導(dǎo)致了放礦體穩(wěn)固性不好。

礦體的頂板圍巖主要為變質(zhì)巖類。西部地段主要由穩(wěn)定性不好的軟弱塊狀的矽卡巖組成，容易出現(xiàn)塑性變形;東部地段較西部整體穩(wěn)定性較好，主要由較為堅硬、結(jié)構(gòu)碎裂的角礫巖組成，但仍然存在穩(wěn)定性較差的地段。

礦體的底板圍巖以堅硬的矽卡巖為主，穩(wěn)定性較好。與主礦體接觸的頂?shù)装鍘r體不太穩(wěn)固，冒頂、片幫較為嚴(yán)重。矽卡巖具有遇水崩解碎化膨脹的特性，揭露后容易吸收空氣中的水分并迅速風(fēng)化，其強度迅速降低，甚至完全沒有強度，穩(wěn)固性差。開挖該矽卡巖中的工程易發(fā)生冒頂片幫事件，即使?jié)补嗷炷粱驀娚浠炷林ёo，在一段時間后也會因巖體膨脹而產(chǎn)生巷道開裂、變形和垮塌。

2 礦體開采方案［1-2］

2.1 分段中深孔落礦嗣后階段充填采礦法

該法在后述中簡稱為階段法。底柱厚度為10 ～13 m，底部結(jié)構(gòu)為塹溝，采用鏟運機進行出礦，人行天井、溜井和聯(lián)絡(luò)道布置于間柱之中，不留頂柱，分段高約為10 m，礦房回采結(jié)束后，立即進行充填。

通過對某采場調(diào)查，在研究范圍內(nèi)，為了使研究具有代表性，選取其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)相對較大采場進行統(tǒng)計。其結(jié)果:上向分層充填采礦法采場平均跨度為13 m，采場平均長度為38 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)54 m ×14 m;中深孔階段礦房采礦法采場平均跨度為15 m，采場平均長度為36 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)為:40 m ×25 m;淺孔留礦法采場平均跨度為13 m，采場平均長度為36 m，結(jié)構(gòu)參數(shù)40 m×25 m。

2.2 淺孔留礦嗣后充填采礦法

該法在后述中簡稱為淺孔法。采用平底結(jié)構(gòu)，鏟運機出礦，先拉底回采三角底柱，回采結(jié)束充填完成后再拉底開始正式上采，分層高度6 m，每采完一層出礦1/3 礦量，整個采場回采結(jié)束后開始大量出礦，礦房回采結(jié)束后，立即進行充填。

2.3 盤區(qū)采用機械化上向水平分層充填采礦法

該法在后述中簡稱為上向法。第1 分層回采高度為5 m，第1 分層回采出礦結(jié)束后要施工人工假底，架設(shè)人工鐵皮溜礦井和人行濾水井，要求對應(yīng)原溜礦井和人行井，施工人工假底時要預(yù)留對應(yīng)口。然后從上中段架設(shè)充填管路開始充填，第1 分層充填高度為2.5 m。其他分層回采高度為4 m，出礦后空頂高為6.5 m，分層的充填高度大致與分層的回采高度相同，并且每個分層充填之后留下2.4 m 高作為爆破的補償空間和鏟運機的作業(yè)空間。充填至預(yù)設(shè)的高度，經(jīng)過3 d 左右的濾水之后進行上分層的回采。

3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬軟件選擇FLAC3D軟件［3］，該軟件較其他有限元軟件更能反映回采過程中的礦體和圍巖的不連續(xù)性及大變形特征，故很多學(xué)者利用FLAC3D軟件解決了相應(yīng)的礦山問題，并對后續(xù)的研究提供了借鑒［4-6］。

3.1 基本假設(shè)［3］

(1)礦體、頂?shù)装鍘r體、充填體均為各項同性連續(xù)介質(zhì)材料。

(2)假定充填體與礦柱巖體之間沒有間隙。

(3)在加載過程中僅考慮自重應(yīng)力的作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力、滲流耦合、爆破沖擊作用等的影響。

3.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場與公司地質(zhì)部門商討、充分了解礦區(qū)地質(zhì)概況及充填情況后，根據(jù)該礦山礦區(qū)的地質(zhì)特征及目前的開采技術(shù)條件，經(jīng)工程處理后，歸類選取了矽卡巖礦、含硫礦、含礦大理巖、普通大理巖、閃長巖、矽卡巖6 種主要礦巖體的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 與本次數(shù)值模擬計算相關(guān)巖體參數(shù)Table 1 Relevant rock mass parameters in the numerical simulation and calculation

3.3 模型的建立

建模范圍:X 方向－2 760 ～－2 430 m;Y 方向－12 030 m ～－11 870 m;Z 方向－350 ～－550 m。因此，模型X 方向長為450 m，Y 方向長為300 m，Z 方向長為300 m;單元大小基本為3 m×4 m×4 m，模型單元總數(shù)18 萬個，力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model

3.4 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案

上向法、淺孔法、階段法這3 種采礦方法最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)具體為:方案一采場長度36 m，寬度14 m;方案二采場長度38 m，寬度14 m;方案三采場長度40 m，寬度14 m;方案四采場長度36 m，寬度16 m;方案五采場長度38 m，寬度16 m;方案六采場長度40 m，寬度16 m。

對6 種不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的模擬計算結(jié)果對比分析(表2)。表明:采場寬度的改變對回采過程圍巖應(yīng)力和位移影響較大，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)初步確定為采場寬度14 m、長度為40 m。

4 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究

4.1 位移分析

(1)頂板位移分析:圖2 反映回采過程中3 種不同采礦方法回采頂板位移的變化，采用階段礦房回采和淺孔留礦回采，均為嗣后充填。在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，淺孔留礦回采頂板位移值稍大，由于其回采過程頂板暴露時間相對較長，采用上向水平分層充填法回采，相對前2 種采礦方法頂板位移值變小。回采過程靠近礦柱充填體發(fā)生向上位移，尤其是下部充填體。

表2 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of simulated data

圖2 不同采礦方法頂板位移云圖Fig.2 Roof displacement contour of different mining methods

(2)礦柱位移分析:圖3 反映回采過程中3 種不同采礦方法回采礦柱位移的變化。可以看出，采用階段礦房回采礦柱位移最大為18.68 cm，淺孔留礦回采礦柱位移最大為18.72 cm，上向水平分層充填法回采礦柱位移最大為13.87 cm。

圖3 不同采礦方法礦柱位移云圖Fig.3 Ore pillar displacement contour of different mining method

4.2 應(yīng)力分析

(1)最大主應(yīng)力分析:圖4 反映回采過程中3 種不同采礦方法回采圍巖最大主應(yīng)力的變化。可以看出，充填體主要受拉應(yīng)力，受拉應(yīng)力區(qū)域主要集中在充填體四周與礦柱交界處，階段礦房回采充填體受拉應(yīng)力0.083 MPa，淺孔留礦回采充填體受拉應(yīng)力0.086 MPa，上向水平分層充填法回采充填體受拉應(yīng)力最大，為0.42 MPa。

(2)最小主應(yīng)力分析:圖5 反映回采過程中3 種不同采礦方法回采圍巖最小主應(yīng)力的變化?？梢钥闯觯涮铙w頂部與底部四周與礦巖交界受壓應(yīng)力最大，階段礦房回采充填體受最大壓應(yīng)力20.63 MPa，充填體內(nèi)部最大壓應(yīng)力2.5 MPa，主要發(fā)生在上部充填體，最大壓應(yīng)力范圍0.053 ～2.5 MPa，淺孔留礦回采充填體受壓應(yīng)力20.51 MPa，充填體內(nèi)部最大壓應(yīng)力2.5 MPa，大部分充填體最大壓應(yīng)力范圍0.043 ～2.5 MPa，上向水平分層充填法回采充填體受壓應(yīng)力最大，為19.65 MPa，充填體內(nèi)部最大壓應(yīng)力2.0 MPa，受壓2.0 MPa 的充填體相對很少，主要在充填體上部5 m 范圍，下部大多充填體受壓4 ～6 MPa。因此，上向水平分層充填法回采充填體受壓應(yīng)力最大，結(jié)合充填體圍巖受壓相對較小的原因，充填體壓應(yīng)力主要來源于回采過程中多次對充填體的擾動影響。

圖4 不同采礦方法最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Maximum principal stress contour of different mining method

圖5 不同采礦方法最小主應(yīng)力云圖Fig.5 Minimum principal stress contour of different mining method

4.3 小 結(jié)

對已形成的礦柱回采時，要注意礦體穩(wěn)固性變化，及時調(diào)整進路尺寸，減小礦體頂板的暴露面積和暴露時間，加強頂板管理，及時充填。

在礦柱的回采過程中，應(yīng)用應(yīng)力、應(yīng)變計進行觀測，并對地表位移的變化進行重點監(jiān)測。及時掌握礦體和圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律，并準(zhǔn)確地做出預(yù)報，保證礦山的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)建議階段礦房嗣后充填法回采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)采場寬度14 m、長度40 m;淺孔留礦嗣后充填法回采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)采場寬度14 m、長度40 m;上向水平分層充填法回采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)采場寬度14 m、長度42 m。從中央向端部回收時，礦柱應(yīng)力分布的變化次數(shù)少，減少對礦柱多次加載所造成的破壞，應(yīng)力分布較合理。

(2)在工程施工過程中應(yīng)加強地壓觀測，采用應(yīng)變計等應(yīng)力變化觀測手段確保安全施工，注意現(xiàn)場監(jiān)測礦柱、頂板的巖移情況;礦柱的回收和采空區(qū)的處理在時間和空間上做有效的統(tǒng)籌安排，充分采用機械化的出礦設(shè)備，實行“強采強出”，并根據(jù)地壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)，超前預(yù)測，保證安全。

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