劉澤乾，侯克鵬，楊八九

（1.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個(gè)舊 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

礦產(chǎn)作為不可再生資源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位，如何高效安全的開采殘礦成為了礦山的一大難題［1-2］，在殘礦開采過程中受到諸多因素影響，如何在保證安全的條件下，對(duì)殘礦進(jìn)行回采對(duì)礦山企業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義［3-4］?；夭蓺埐蛇^程中，為了更多、更好的采出礦石，一般采取充填的方式對(duì)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。但是隨著礦體開采深度及范圍的不斷增加，環(huán)境不斷惡化［5］。同時(shí)該如何安全、高效、經(jīng)濟(jì)的開采充填體周邊的礦體，也是礦山企業(yè)關(guān)心的問題［6］。現(xiàn)如今,在礦體開采、殘礦回收、回采順序優(yōu)化方面，較常用的方法有：工程類比法、相似模擬試驗(yàn)法、遺傳和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、數(shù)值分析法等［7-11］。

2 礦體概況

13-2礦體位于老廠礦田南部竹葉山突起的東南側(cè)，處于卡房分礦東部凹陷帶的上凹處，夾持于近東西向斷裂前坡山斷裂和拉里黑斷裂之間，礦體標(biāo)高1830～2025m，范圍246線至256線間，礦體沿花崗巖接觸帶（多個(gè)凹槽）呈北東向分布，經(jīng)坑、鉆工程揭露，252線至256線為一個(gè)塊段（屬2號(hào)凹礦體）、246線至249線為一個(gè)塊段。礦體內(nèi)穿有多層花崗巖和大理巖脈,部分為層狀、似層狀礦體。礦石為灰黑色致密塊狀硫化礦，部分由于受斷裂影響呈破碎狀或粉狀硫化礦，礦體和夾層大理巖中等穩(wěn)固，F(xiàn)=6～10，礦體上下盤均為花崗巖，風(fēng)化蝕變帶穩(wěn)固性較差，F(xiàn)=3～7, 給開采帶來了極大的困難。

3 計(jì)算模型的建立

（1）計(jì)算域。根據(jù)云錫卡房錫礦13-2礦體253～254地質(zhì)剖面線的實(shí)際形態(tài)及與周邊圍巖之間的相互關(guān)系，建立三維有限元模型。模型長(zhǎng)、寬、高分別為470m、350m、280m，即礦體走向取470m，礦體傾向取350m，高程方向取280m，共計(jì)241740個(gè)節(jié)點(diǎn)，56480個(gè)20節(jié)點(diǎn)三維等參單元。由于本次模擬13-2礦體距地表大約200m左右，礦體頂部為大理巖，利用高度與載荷的關(guān)系，對(duì)模型上部施加5.34MPa的均布荷載。實(shí)體模型單元網(wǎng)格劃分及礦體模型分別見圖1、2所示。

（2）邊界約束：受采動(dòng)影響，離采區(qū)較近時(shí)擾動(dòng)較大，遠(yuǎn)離采區(qū)擾動(dòng)較小，可將數(shù)值模型離采區(qū)較遠(yuǎn)的邊界處位移視為零。因此，計(jì)算時(shí)分別在模型的底部、側(cè)面施加位移約束。

（3）地應(yīng)力設(shè)置：由于地應(yīng)力相對(duì)比較復(fù)雜，云錫公司又沒有實(shí)測(cè)數(shù)值。然而，大量實(shí)測(cè)工程表明，深度在400m左右是地應(yīng)力的一個(gè)分水嶺，深度400m以下水平和垂直應(yīng)力基本趨于一致（λ=0.8～1.2），13-2礦體埋藏深度約有200m左右，以水平應(yīng)力稍大于垂直應(yīng)力(λ=1.15)為計(jì)算方案。

圖1 13-2礦體253～254剖面三維有限元計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格剖分圖

圖2 13-2礦體253～254剖面礦體簡(jiǎn)化后形態(tài)分布圖

4 分析方案

結(jié)合礦體的產(chǎn)狀及賦存條件，本文首先考慮采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采，但由于礦石品位較高、圍巖穩(wěn)固性較差及花崗巖倒轉(zhuǎn)等情況，為了提高回采率及礦體開采的穩(wěn)定性，本文又采用了充填法開采模擬研究與空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行對(duì)比分析，力求找出適合本礦體開采的較優(yōu)方案。

4.1 空?qǐng)龇ㄩ_采

方案1、采場(chǎng)沿礦體走向布置，每隔16m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

方案2、采場(chǎng)沿礦體走向布置，每隔12m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

4.2 采用上向充填進(jìn)路式采礦，進(jìn)路寬度4m，高度4m

方案3、進(jìn)路隔一采一，充填后開采另一條進(jìn)路并進(jìn)行充填。

方案4、進(jìn)路隔三采一，充填后開采另外的進(jìn)路并進(jìn)行充填。

本次計(jì)算過程采用的礦體和圍巖參數(shù)都進(jìn)行了大量的分析和折減，由于取樣過程中無法取到礦體上盤穩(wěn)定性較差的花崗巖，結(jié)合課題組對(duì)云錫公司內(nèi)部周邊礦山花崗巖的認(rèn)識(shí)對(duì)用于模擬的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選取。模擬分析中所采用的力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)列表

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 空?qǐng)龇ㄩ_采方案采場(chǎng)頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性研究

方案1、采場(chǎng)沿礦體走向布置，每隔16m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

方案2、采場(chǎng)沿礦體走向布置，每隔12m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

模擬結(jié)果見圖3～6。

圖3 方案一、二開采后頂板及周邊花崗巖拉應(yīng)力分布圖

圖4 方案一、二開采后上盤及花崗巖鉛錘位移分布圖

圖5 方案一、二開采后上盤及周邊花崗巖安全率分布圖

圖6 方案一、二開采后上盤及周邊花崗巖破壞域分布圖

綜合以上對(duì)空?qǐng)龇ㄩ_采方案頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性的分析，從應(yīng)力分布結(jié)果來看：礦體開采后，上盤及周邊花崗巖處于拉應(yīng)力狀態(tài)，兩種方案開采后上盤及周邊花崗巖都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力分別為2.966和2.510；遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了折減以后頂板花崗巖自身的抗拉強(qiáng)度值0.673。從位移分布模擬結(jié)果來看：礦體開采后，方案一、二頂板位移分別為243、225，這對(duì)于有限元小變形軟件而言是比較大的位移，此時(shí)頂板容易出現(xiàn)變形、垮塌和冒落。從安全率分布結(jié)果來看：采場(chǎng)寬度為16、12時(shí)最小安全率分別為0.912、0.937，遠(yuǎn)小于臨界狀態(tài)，說明此時(shí)頂板及側(cè)幫花崗巖會(huì)出現(xiàn)大面積破壞。從塑性區(qū)分布結(jié)果來看：礦體開采后，頂板及邊幫花崗巖均處于塑性狀態(tài)，且連片現(xiàn)象較為明顯，這是由于開采體上盤、邊幫花崗巖穩(wěn)定性較差且采動(dòng)范圍過大造成的，這種情況下頂板極易出現(xiàn)破壞。所以，采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采是不可行的無法滿足要求。

5.2 上向充填進(jìn)路式采礦方案頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性研究

方案3、進(jìn)路寬度4m，高度4m，進(jìn)路隔一采一，充填后開采另一條進(jìn)路并進(jìn)行充填（圖7）。

方案4、進(jìn)路寬度4m，高度4m，進(jìn)路隔三采一，充填后開采另外的進(jìn)路并進(jìn)行充填（圖8）。

模擬結(jié)果見圖7～19。

圖7 方案3進(jìn)路隔一采一

圖8 方案4進(jìn)路隔三采一

圖9 方案3、方案4進(jìn)路形成后頂板最大主應(yīng)力分布圖

圖10 方案3、方案4進(jìn)路形成后頂板安全率分布圖

圖11 方案3、方案4進(jìn)路形成后頂板垂直位移分布圖

圖12 方案3、方案4進(jìn)路形成后頂板塑性區(qū)分布圖

圖13 方案4進(jìn)路形成后頂板塑性區(qū)分布圖

圖14 方案4充填后頂板硫化礦最大主應(yīng)力分布圖

圖15 方案4充填后硫化礦頂板垂直位移分布圖

圖16 方案4充填體安全率分布圖

圖17 方案4充填后硫化礦頂板安全率分布圖

圖18 方案3充填體塑性區(qū)分布圖

圖19 方案4充填后硫化礦頂板塑性區(qū)分布圖

綜合以上對(duì)上向充填進(jìn)路式采礦方案的綜合分析，整個(gè)分層充填結(jié)束后，充填體受到壓應(yīng)力為23.464MPa，說明充填體在支護(hù)過程中起到明顯的作用；分層充填結(jié)束后，頂板硫化礦出現(xiàn)了1.156 mpa的拉應(yīng)力，小于折減以后硫化礦的自身抗拉強(qiáng)度值約為2.143MPa，此時(shí)頂板相對(duì)穩(wěn)定。從位移、安全率分布結(jié)果來看：頂板硫化礦最大位移僅為32mm，充填體和頂板的最小安全率分別為1.191、1.206，均大于臨界狀態(tài)。從塑性區(qū)分布結(jié)果來看：充填體上表面大部分進(jìn)入了塑性狀態(tài)，這充分說明充填體已經(jīng)進(jìn)入承載狀態(tài)，所以說充填體雖然不能完全阻止圍巖移動(dòng)，但可以最大限度的限制圍巖的變形和移動(dòng)；充填完成后頂板塑性區(qū)較少，僅在局部有零星的塑性區(qū)出現(xiàn)，沒有連片現(xiàn)象，此時(shí)頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，采用進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦能極大的減弱上盤及周邊圍巖的變形，整體來看，采用進(jìn)路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

5.3 回采順序的確定

在確定了采礦方法及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)253、254線厚大礦體的賦存條件，對(duì)礦體的開采順序進(jìn)行了多方案計(jì)算分析。由于礦體四周為穩(wěn)定性較差的花崗巖，如果采場(chǎng)沿走向布置，在開采礦體與花崗巖接觸部位時(shí)，花崗巖暴露時(shí)間較長(zhǎng)，不利于采場(chǎng)穩(wěn)定，而采用垂直走向布置，只是分層或者進(jìn)路迎頭與花崗巖接觸，此時(shí)花崗巖暴露時(shí)間相對(duì)較短，利于采場(chǎng)充填前的穩(wěn)定，所以采場(chǎng)建議垂直走向布置，在此前提下對(duì)礦體回采順序進(jìn)行以下方案的分析：

方案一：采場(chǎng)垂直走向布置，礦體從西往東開采。

方案二：采場(chǎng)垂直走向布置，礦體從東往西開采。

方案三：采場(chǎng)垂直走向布置，礦體從中間向兩翼退采。

從各回采順序方案頂板應(yīng)力、位移、安全率數(shù)據(jù)（表2）及三個(gè)方案回采順序開挖過程應(yīng)力、位移、安全率變化曲線（圖20～22）來看，針對(duì)13-2礦體253、254線厚大部分礦體的回采順序可以靈活布置，考慮到上向分層或者進(jìn)路的長(zhǎng)度，一般控制在25m以內(nèi)為宜。如采用中間向兩翼退采，則進(jìn)路相對(duì)較短，所以建議還是從礦體一側(cè)往另外一側(cè)順序開采，考慮到花崗巖的實(shí)際情況，為了防止進(jìn)路迎頭垮塌，建議最后揭露穩(wěn)定性較差的花崗巖附近的礦體，所以最終的回采順序?qū)⑹欠桨付翰蓤?chǎng)垂直走向布置，礦體從東往西開采。

表2 回采順序各方案頂板應(yīng)力、位移、安全率結(jié)果表

圖20 不同回采順序方案頂板拉應(yīng)力變化曲線圖

圖21 不同回采順序方案頂板垂直位移變化曲線圖

圖22 不同回采順序方案頂板安全率變化曲線圖

6 結(jié)論

通過對(duì)卡房13-2礦體253～254線礦體回采方案、采礦方法、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序的模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）卡房分礦13-2礦體花崗巖倒轉(zhuǎn)的礦體，采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采是不可行的，無法滿足安全要求。

（2）卡房13-2花崗巖倒轉(zhuǎn)部分礦體，采用進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦能極大的減弱上盤及周邊圍巖的變形，整體來看，采用進(jìn)路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

（3）13-2礦體253～254線較優(yōu)的回采順序是采場(chǎng)垂直走向布置，礦體從東往西開采。