陶志剛,耿 強(qiáng),呂增旺,宋志剛,劉晨康

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.靈寶黃金股份有限公司,河南 靈寶 472500)

采選技術(shù)

自動(dòng)沉落式采礦方法設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

陶志剛1,2,耿 強(qiáng)1,2,呂增旺3,宋志剛1,2,劉晨康1,2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；3.靈寶黃金股份有限公司,河南 靈寶472500)

為了從根本上提高金礦的開采效率，降低采礦成本和貧化率，爭(zhēng)取最短時(shí)間內(nèi)完成富集區(qū)金屬資源的安全可持續(xù)開采，本文首先針對(duì)吉爾吉斯斯坦某金礦礦體圍巖特征及礦體賦存產(chǎn)狀特征，探索出一種“直立破碎礦體自動(dòng)沉落式采礦方法”；然后，提出相應(yīng)的工藝難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)；最后，利用有限差分軟件(FLAC3D)與離散單元軟件(PFC3D)，耦合對(duì)自動(dòng)沉落式回采方式條件下支架上部巖體的垮落形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。通過4次開挖模擬，揭示了自動(dòng)沉落式回采方式條件下支架上部巖體能自動(dòng)垮落并充填采空區(qū)，避免空頂作業(yè)，具有一定的可行性。

直立破碎礦體;自動(dòng)沉落式采礦;數(shù)值模擬;自動(dòng)垮落

20世紀(jì)60年代初期，“采礦方法選擇理論”得到迅速發(fā)展，并逐漸成熟。60年代中期，美國學(xué)者認(rèn)為現(xiàn)實(shí)生活中許多現(xiàn)象都不定量，具有不確定性，提出了模糊數(shù)學(xué)思想。該思想逐漸被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、歷史、政治等學(xué)科的研究中[1-2]。80年代初期，該方法被我國學(xué)者引入并應(yīng)用于采礦方法的選擇中。以該理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來諸多決策理論，如：多目標(biāo)決策理論、灰色系統(tǒng)理論、突變級(jí)數(shù)法、價(jià)值工程法、專家系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3-6]。

基于礦山、礦種、礦床和礦山設(shè)備的特點(diǎn)，目前地下礦山的主流采礦方法包括：空?qǐng)龇ā⒊涮罘?、崩落法三種方式[7-8]。其中，無底柱分段崩落采礦法通常機(jī)械化程度高、全員效率高，是一種高產(chǎn)高效的采礦方法。但是，傳統(tǒng)崩落式采礦法開采時(shí)存在安全、貧化、低效、出礦難等問題[9]。本文針對(duì)吉爾吉斯斯坦某金礦礦體圍巖特征及礦體賦存產(chǎn)狀特征，為解決傳統(tǒng)崩落式采礦法開采時(shí)存在的技術(shù)問題，提出一種“直立破碎礦體自動(dòng)沉落式采礦方法”，并利用有限差分軟件(FLAC3D)與離散單元軟件(PFC3D)[10-11]，耦合對(duì)自動(dòng)沉落式回采方式條件下支架上部巖體的垮落形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分析其在該礦應(yīng)用的可行性。

1 礦山工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該金礦(簡(jiǎn)稱MK)位于吉爾吉斯斯坦共和國賈拉拉巴德州的伊斯坦貝爾德河下游?，F(xiàn)探明9條主要礦脈，礦體為薄至極薄礦體，傾斜角度在50～80°之間。由于礦體賦存和圍巖軟弱破碎等不利條件使得該礦開采難度極大。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為下元古界(PR1)、下志留統(tǒng)(S1)和第四系(Q)。礦體頂、底板圍巖主要為硅質(zhì)片巖，其次有斜長(zhǎng)花崗巖、大理巖、閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)花崗巖等，具有片理化、粘土化和碎裂化特征，硬度系數(shù)f=4～14，穩(wěn)固性較差，開采難度相對(duì)較大。

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為近東西向的斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造。礦體主要為構(gòu)造蝕變巖型，受構(gòu)造控制，片理化、高嶺土化發(fā)育，穩(wěn)固性差。

1.3 圍巖特征

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，MK礦圍巖具有如下特征。

1) 礦體產(chǎn)狀復(fù)雜，開采技術(shù)條件難度大。

2) 礦體具有遇水軟化膨脹、黏結(jié)的特征，圍巖遇水穩(wěn)固性變差，礦巖之間存在較明顯的黏土摩擦帶界面。

3) 圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性很差。

4) 圍巖破碎，多數(shù)巷道需要支護(hù)，開拓巷道以木支護(hù)為主，鋼支護(hù)為輔，支護(hù)率超過70%，其中沿脈巷道100%支護(hù)，部分巷道必須超前支護(hù)才能正常施工。

5) 采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性差，部分礦脈有一層極破碎的直接頂板，隨回采爆破直接冒落，或回采爆破后數(shù)小時(shí)內(nèi)冒落，難以控制。

2 自動(dòng)沉落式采礦方法設(shè)計(jì)

2.1 直立礦體分類

按照直立破碎礦體產(chǎn)狀特征，可以將直立礦體分為以下三類(圖1)。

圖1 直立薄礦體賦存特征

1) 直立極薄礦體：極薄礦層厚度W<0.8m，角度α=[50～90°]。

2) 直立薄礦體：薄礦層厚度W=[0.8～4m]，角度α=[50～90°]。

3) 直立厚礦體：厚礦層厚度W>4m，角度α=[50～90°]。

2.2 自動(dòng)沉落式采礦工藝難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

受區(qū)域工程地質(zhì)條件影響，MK礦山一直采用小分段崩落采礦法。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和兩年試采，仍存在著貧化大、損失大、效率低、安全系數(shù)低，成本高等問題，嚴(yán)重制約著礦山發(fā)展。針對(duì)上述問題，提出了直立破碎礦體自動(dòng)沉落式采礦方法的設(shè)想。

自動(dòng)沉落式采礦方法整體工藝流程主要分為兩個(gè)階段。

第一階段：自動(dòng)沉陷采礦。首先，在一定深度礦脈中，掘進(jìn)一條水平巷道，以支架支護(hù)，支架之間用NPR錨桿連接防止發(fā)生錯(cuò)位和脫節(jié)，且支架上用螺栓連接條形鋼板，形成封閉空間，確保下方人員和設(shè)備的安全[12]。然后，在巷道底板沿礦層巷道方向以不同深度打孔放炮，使支架依次下沉傾斜，成一定角度α。最后，不斷加深前排支架下沉深度，從而調(diào)整傾斜角度α使其大于礦脈巖層內(nèi)摩擦角Φ。

第二階段：破碎自動(dòng)采礦。支架下部礦層因傾斜角度大于內(nèi)摩擦角Φ，破碎礦體在人工擾動(dòng)作用下發(fā)生滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采礦。

如果想實(shí)現(xiàn)直立破碎礦體自動(dòng)沉落式采礦目標(biāo)，還需配套采礦支架、支架壓力、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊、自動(dòng)溜礦和皮帶運(yùn)輸?shù)容o助系統(tǒng)。

2.3 直立薄礦體平行開采設(shè)計(jì)

由于直立厚礦體和薄礦體主要在“厚度”方面差異較大，因此只要探索出直立薄礦體的沉落式開采工藝，就可以拓展到直立厚礦體的開采。

根據(jù)自動(dòng)沉落式采礦構(gòu)想，設(shè)計(jì)出直立薄礦體平行開采工藝。

1) 開采表面礦體：針對(duì)直立式破碎薄礦體的開采，首先在一定深度的直立薄礦層頂部開拓一條巷道，在巷道內(nèi)對(duì)其表面礦體進(jìn)行初采，如圖2(a)所示。

2) 鋪設(shè)支架：表面礦體開采完畢后，巷道內(nèi)沿著薄礦層形成一個(gè)較大的縱向空間，鋪設(shè)支架用于支護(hù)巷道，支架為11#工字鋼，如圖2(b)所示。為了防止支架在自動(dòng)下沉過程中產(chǎn)生不均勻沉降而造成脫節(jié)和錯(cuò)位，支架設(shè)計(jì)成疊瓦結(jié)構(gòu)，且支架和支架之間用恒阻大變形材料連接，如圖2(c)所示。

3) 開采支架下方礦體：在支架下進(jìn)行采礦作業(yè)，完成支架初步架設(shè)，如圖2(d)所示。

4) 封閉頂板：利用支架、NPR材料和螺栓連接條形鋼板，封閉開采作業(yè)面頂板，確保支架下采礦人員和機(jī)械設(shè)備的安全。用于每個(gè)相鄰支架連接的NPR材料采用多點(diǎn)連接設(shè)計(jì)，具有可拉伸和大變形功能[13-14]。

5) 鉆孔爆破：在支架下鉆孔爆破，炮孔深度依次遞減。爆破后，將支架下礦石采出，使各個(gè)支架下沉不同深度，從而巷道形成一定角度α，如圖2(e)和圖2(f)所示。

6) 底板破碎礦石采出支架自動(dòng)沉降：在支架下方破碎礦石開采過程中，逐漸加大角度，使整個(gè)巷道形成傾角α>Φ。此時(shí)，人工開采結(jié)束，因傾斜角度α>Φ，在人工擾動(dòng)條件下上部礦層發(fā)生滑動(dòng)，自動(dòng)溜礦，即可將礦石從兩側(cè)溜井集中采出，如圖2(g)所示。

7) 支架兩側(cè)圍巖垮落：由于支架隨著下方采礦作業(yè)呈階梯式下沉，支架頂部和兩側(cè)破碎巖體隨之垮落，將支架填埋密實(shí)，逐漸達(dá)到一個(gè)新的力學(xué)平衡穩(wěn)定狀態(tài)，如圖2(h)所示。

圖2 直立薄礦體自動(dòng)沉落式采礦工序

破碎巖體的運(yùn)輸是直立式破碎薄礦體平行開采的關(guān)鍵問題，也是決定這種方法是否具有高效低貧化率的核心問題，專門設(shè)計(jì)了2種運(yùn)輸模式：①溜井集中運(yùn)輸系統(tǒng)；②平硐皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

溜井集中運(yùn)輸系統(tǒng)是在直立薄礦層中開拓一個(gè)溜井，在自動(dòng)沉降開采全生命周期內(nèi)統(tǒng)一采用溜井對(duì)破碎礦石進(jìn)行集中運(yùn)輸，如圖3所示。

圖3 集中運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

3 上部巖體垮落形態(tài)數(shù)值模擬分析

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際情況，將周圍巖體設(shè)置為2類模型。

1) 離散的顆粒黏結(jié)狀態(tài)：用于模擬垮落過程中，巷道頂板巖石或者巖土體開挖后破裂垮落，共計(jì)生成47 567個(gè)離散顆粒，顆粒直徑范圍20～30 cm。

2) 連續(xù)有限差分的單元狀態(tài)：模擬回采空間周邊的穩(wěn)定巖體，共生成65 100個(gè)單元，如圖4所示。

圖4 模型三維結(jié)構(gòu)

整體模型尺寸為43 m×30 m×25 m，模型尺寸參數(shù)如圖5所示。

由于本模型中主要為模擬淺埋金屬礦脈回采上部垮落形態(tài)及其對(duì)兩側(cè)巖壁的壓力影響，所以利用采寬3 m模擬對(duì)擬開采礦脈的開采寬度，而礦脈上方通常為侵入巖的終結(jié)處，上部埋深較淺且風(fēng)化程度較高情況下可利用弱粘結(jié)散粒體模擬，根據(jù)一般洞室工程影響范圍，每側(cè)可取5～6倍洞徑以上，也即總寬度應(yīng)大于33 m，本次根據(jù)模型需要設(shè)置寬度為37m。而下部巖體由于開挖形成的漏斗或者成拱效應(yīng)而對(duì)兩側(cè)巖體起到一定支撐作用，同時(shí)埋深加深巖體風(fēng)化減弱，開挖后兩側(cè)巖體離散性較弱。因此，本文模擬可將下部巖體利用連續(xù)的單元體進(jìn)行模擬。

模型設(shè)定為地表以下回采，即模型頂部為地面，模擬過程分為4個(gè)步驟，如圖6所示。

在回采方向上模擬分析4個(gè)不同采深條件下的垮落形態(tài)，采深分別設(shè)定為：2 m、5 m、8 m和11 m，各項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。棚頂(疊瓦結(jié)構(gòu)支架)以下設(shè)置為擬保護(hù)區(qū)，以上設(shè)置為開挖采空區(qū)，當(dāng)上部顆?？迓浜髸?huì)自動(dòng)沉落填充到采空區(qū)，從而覆蓋疊瓦結(jié)構(gòu)支架頂部。

圖5 模型幾何結(jié)構(gòu)圖

圖6 開挖步驟示意圖

表1 巖體模型參數(shù)表

名稱容重/(kg/m3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內(nèi)聚力/kPa摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa弱風(fēng)化砂巖28732010.9900361.5

表2 顆粒-顆粒模型參數(shù)

注：γ-容重；c-顆粒黏聚力；σ-顆?？估瓘?qiáng)度；Φ-顆粒內(nèi)摩擦角；E-彈性模量；μ-泊松比；A-顆粒接觸類型；δ-阻尼系數(shù)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 第一次開挖。第一次開挖2m后，上部強(qiáng)風(fēng)化砂巖的垮落形態(tài)如圖7所示。

按照自動(dòng)沉落式采礦方法的設(shè)計(jì)，在金屬礦回采過程中隨著支架下方金礦的采出，支架上部巖體受重力作用會(huì)垮落充填，避免懸頂工作。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)支架下方金礦采出后，頂板中上部巖體強(qiáng)度降低，形成近似拱形的垮落區(qū)，并且受顆粒重力作用和顆粒對(duì)入口處擠壓作用，在上部巖體內(nèi)部約4 m左右將開挖部分填充完畢，此時(shí)支架兩側(cè)較易形成壓力集中區(qū)。

2) 第二次開挖。第二次開挖5 m后，由于支架(頂棚)已經(jīng)遠(yuǎn)離入口處，顆粒的擠壓作用對(duì)支架兩側(cè)影響不顯著，支架壓力主要來源于頂部顆粒的重力垮落，如圖8所示。

圖7 開挖2 m后正面巖體垮落形態(tài)

圖8 開挖5 m后正面巖體垮落形態(tài)

3) 第三次開挖。第三次開挖8 m后，正面巖體垮落形態(tài)如圖9所示。

圖9揭示了顆粒從中心向兩側(cè)循序進(jìn)入開挖空間入口處，對(duì)巷道中心擠壓效果顯著，局部巖體擠壓破碎，產(chǎn)生擴(kuò)口效應(yīng)。

4) 第四次開挖。第四次開挖11 m后，正面巖體垮落形態(tài)如圖10所示。由于第三次開挖導(dǎo)致入口處顆粒對(duì)兩幫的擠壓效果顯著，網(wǎng)格變形過大，巖體被擠壓破裂。因此在第四次開挖模擬分析中，首先將開口處兩側(cè)單元各擴(kuò)寬0.5 m，深度擴(kuò)寬1 m，確保最后的垮落效果完整。同時(shí)，隨著開挖深度的逐漸增加，地表形成了顯著的垮落“漏斗”。

圖9 開挖8 m后正面巖體垮落形態(tài)

圖10 開挖11 m后正面巖體垮落形態(tài)

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)當(dāng)前MK礦開采時(shí)采用無底柱崩落法存在的貧化大、損失大、效率低、安全系數(shù)低、成本高等問題，為了在短期內(nèi)達(dá)到礦山經(jīng)濟(jì)收益的目的，提出了一種“自動(dòng)沉降式采礦”的方法。

2) 闡述了自動(dòng)沉降式采礦的設(shè)計(jì)理念、工藝難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)直立薄礦體，提出了自動(dòng)沉降式采礦的主要步驟，包括鋪設(shè)支架、開采支架下方礦體、鉆孔爆破、礦石開采運(yùn)輸、支架自動(dòng)沉降等。

3) 采用有限差分軟件(FLAC3D)與離散單元軟件 (PFC3D)，耦合對(duì)自動(dòng)沉落式回采方式條件下上部巖體的垮落形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果顯示自動(dòng)沉落式回采方式條件下支架上部巖體能夠自動(dòng)垮落并且充填采空區(qū)，有效避免空頂作業(yè)，證明自動(dòng)沉降式采礦方式具有一定的可行性和實(shí)用價(jià)值。

致謝:感謝深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何滿潮院士和遼寧有色勘察研究院孟志剛博士在文章撰寫和修改過程中給予的幫助。

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Designofautomaticsinkingminingmethodanditsnumericalsimulationanalysis

TAO Zhigang1,2,GENG Qiang1,2,LYU Zengwang3,SONG Zhigang1,2,LIU Chenkang1,2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;2.School of Mechanics & Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083,China;3.Lingbao Gold Company Limited,Lingbao 472500,China)

In order to improve the efficiency of gold mining,reduce the mining cost and dilution rate,and strive for the safe and sustainable exploitation of the metal resources in the enrichment area in the shortest time,In this paper,firstly,aiming at the characteristics of the surrounding rock of a gold mine in Kyrgyzstan and the characteristics of ore-bearing production,this paper explores a kind of “Automatic Setting Mining Method for Upright and Broken Orebody (ASMMUBO)”.Then,the corresponding technical difficulties and key technologies are put forward.Finally,the finite element software (FLAC3D) and the discrete element software (PFC3D) are used to simulate the collapse of the upper rock mass under the condition of automatic sinking recovery.Through the excavation simulation of four excavations,it is revealed that the rock mass in the upper part of the bracket can automatically collapse and fill the goaf area under the condition of automatic sinking mining,and avoid the empty top operation,which has certain feasibility.

upright crushed orebody;automatic sinking mining;numerical simulation;automatic collapse

TD64

A

1004-4051(2017)10-0118-05

2017-05-20責(zé)任編輯宋菲

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：41502323)

陶志剛(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖體力學(xué)與工程災(zāi)害控制理論和教學(xué)工作，E-mail：taozhigang@263.net。

耿強(qiáng)(1992-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事邊坡與巖體力學(xué)研究，E-mail：986070840@qq.com。