尹仕湘 牛向東 侯克鵬

(1.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司；3.昆明理工大學(xué))

采礦活動往往伴隨著礦區(qū)地應(yīng)力的重新分布[1]。合理的回采順序可以改善圍巖應(yīng)力分布，能使圍巖更好地適應(yīng)新的應(yīng)力條件，提高圍巖自穩(wěn)能力[2-4]；同時，合理的回采順序能夠避免礦區(qū)形成應(yīng)力集中區(qū)域，有效防止發(fā)生大規(guī)模突發(fā)性的地壓活動，保證采礦生產(chǎn)安全[5-7]。

近年來，針對采場回采順序優(yōu)化，已有很多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多相關(guān)的研究工作。裴明松等[8]通過對程潮鐵礦聯(lián)合開采時回采順序的數(shù)值模擬優(yōu)化，確定了地表沉降最小且施工組織容易的回采順序組合，充填法采用“中-左-右”回采順序，無底柱分段崩落法采用“左-右-中”回采順序。焦文宇等[9]通過對充填體下礦體回采順序數(shù)值模擬優(yōu)化研究，根據(jù)計算結(jié)果，從應(yīng)力、位移及塑性區(qū)3個方面對不同的方案進(jìn)行了比較分析，確定從中間向兩翼的回采順序為最優(yōu)。程崇強(qiáng)等[10]通過對紅透山銅礦深部采場回采順序的數(shù)值模擬及優(yōu)化，分析6種不同方案回采過程中的應(yīng)力、位移分布特征，確定由左至右、由下至上為最優(yōu)回采順序。葉義成等[11]通過對緩傾斜多層礦床充填法開采圍巖變形及回采順序試驗研究，采用相似模擬試驗方法，研究前進(jìn)式和后退式回采順序開采礦床的圍巖應(yīng)變變化、巷道圍巖應(yīng)變變化、地表沉降及演變規(guī)律，探討嗣后充填采礦法回采上橫山礦合理的順序為前進(jìn)式最佳。

為改善羊拉銅礦里農(nóng)礦段空場法開采過程中圍巖的應(yīng)力分布以及提高圍巖的自穩(wěn)能力，利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件對里農(nóng)礦段高程和平面2個維度的回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，以保證礦山開采安全。

1 工程概況

羊拉銅礦共有7個礦段，其中里農(nóng)礦段為多層、緩傾斜-傾斜、中厚-厚礦體，沿走向和傾向上礦體的產(chǎn)狀和厚度變化很大，且厚大部分多靠近地表。針對礦體的不同產(chǎn)狀，采礦方法主要有底盤漏斗空場法、房柱法和全面法等。里農(nóng)礦段礦體以硫化礦為主，礦體頂板巖性為大理巖，節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面以平直、平滑者為主，產(chǎn)狀與坡體表面近于一致，以平直、粗糙為特征，絕大多數(shù)節(jié)理由巖屑部分充填；礦體底板巖性為變質(zhì)石英砂巖，節(jié)理發(fā)育，局部密集發(fā)育，巖石破碎，巖體完整性差。羊拉銅礦里農(nóng)礦段在使用空場法開采過程中，留下大量的采空區(qū)，造成采場地壓顯現(xiàn)劇烈，井下巷道出現(xiàn)底鼓，頂、邊幫冒落等破壞情況。

2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

通過對羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦巖進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，同時考慮試件的尺寸效應(yīng)、礦巖所處的力學(xué)環(huán)境等因素，基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行處理，獲得數(shù)值模擬計算所需礦巖物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦巖的巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬計算及分析

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法已成為解決巖石力學(xué)問題的一個重要手段。FLAC3D程序是由美國 Itasca咨詢集團(tuán)公司在 FLAC的基礎(chǔ)上開發(fā)的三維數(shù)值分析軟件，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，可在較小內(nèi)存空間求解大范圍的三維問題。因此，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件的特點，對里農(nóng)礦段在高程和平面2個維度方向的不同回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

3.1 計算模型

羊拉銅礦里農(nóng)礦段計算模型見圖1。X正方向為正東方向，長1 400 m；模型Y正方向為正北方向，長2 200 m；模型Z正方向為豎直向上方向，高1 120 m。模型共計247 500個單元和261 702個節(jié)點。邊坡巖性從下往上依次為底板變質(zhì)石英砂巖、礦體硫化礦、頂板大理巖。計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用X、Y、Z方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型Y方向的兩端采用Y方向約束。模型坡面為自由邊界。

圖1 羊拉銅礦里農(nóng)礦段計算模型

3.2 高程維度回采順序模擬

3.2.1 回采順序模擬方案

里農(nóng)礦段空場法設(shè)計采場長50 m，留設(shè)5 m頂?shù)字?。?shù)值模擬的間柱和礦房尺寸以及回采順序見表2。

表2 高程維度方向采場回采順序方案

3.2.2 計算結(jié)果與分析

對應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)大小模擬計算結(jié)果進(jìn)行分析，來確定不同方案對山坡和礦柱穩(wěn)定性的影響程度。各方案計算結(jié)果見表3，因各方案模擬結(jié)果圖片過多，這里僅列舉方案1模擬結(jié)果，見圖2。

由圖2可知：

山坡的最大主應(yīng)力分布于整個坡面，其值為-10 MPa；山坡的最小主應(yīng)力分布于坡腳及部分山坡上，其值為0.94 MPa，為拉應(yīng)力。山坡X方向的位移是+23 cm，山坡最大位移是+40 cm，說明礦體在開采的過程中，山坡的位移不斷向東移動，且在山坡坡頂位置出現(xiàn)最大的整體位移。山坡坡頂Z方向的位移為-40 cm，則山坡坡頂位置Z方向的位移不斷向下，且下沉的位移最大；山坡邊坡上的塑性區(qū)主要分布在坡頂和容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的坡腳處。山坡邊坡坡腳及坡頂位置較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、位移量最大以及塑性區(qū)較多，則山坡坡腳及坡頂位置較易破壞，但破壞面積不大。

表3 高程維度方向各方案模擬計算結(jié)果

注：X方向位移，+表示東，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；應(yīng)力，+表示拉應(yīng)力，-表示壓應(yīng)力。

圖2 高程維度上方案1模擬計算結(jié)果

礦柱的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在礦柱上部，分別是-20和-2.5 MPa，則礦柱上部易出現(xiàn)應(yīng)力集中；礦柱X方向的位移為+20 cm，說明礦柱位移方向與山坡一致，均不斷向東移動；礦柱Z方向的位移為-30 cm，則礦柱Z方向的位移不斷向下；礦柱的塑性區(qū)主要分布在礦柱上部，與采場頂板接觸位置。礦柱上部較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、位移量最大以及塑性區(qū)較多，則礦柱上部易破壞。

通過表3中方案1～方案6的山坡和礦柱的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)對比分析可知，在采場結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，自上而下開采時山坡及礦柱應(yīng)力和位移比自下而上開采時要小，說明礦體自上而下回采順序相對較安全；從山坡和礦柱的塑性區(qū)來看，自下而上回采的塑性區(qū)面積大于自上而下回采。因此，在高程維度的回采順序上，采用自上而下的回采順序較優(yōu)。

3.3 平面維度回采順序模擬

3.3.1 回采順序模擬方案

羊拉銅礦里農(nóng)礦段在平面維度上采用跳采的方式進(jìn)行開采，即隔一采一，待兩旁空區(qū)充填后，再回采礦房，各方案均采用自上而下的回采順序，平面維度上各回采方案見表4。方案1～方案3為單個中段開采，方案4～方案6為多個中段開采，平面維度上的回采順序見圖3。

表4 平面維度方向采場回采順序方案

圖3 平面維度方向采場回采順序示意

3.3.2 計算結(jié)果與分析

平面維度上的計算結(jié)果分析與高程維度上的分析方法一樣，即對模擬計算結(jié)果的應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)大小進(jìn)行分析，確定不同方案對山坡和礦柱穩(wěn)定性的影響程度。各方案計算結(jié)果見表5，因各方案模擬結(jié)果圖片過多，這里僅列舉方案1模擬結(jié)果，見圖4。

表5 平面維度方向各方案模擬計算結(jié)果

注：X方向位移，+表示東，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；應(yīng)力，+表示拉應(yīng)力，-表示壓應(yīng)力。

由圖4可知：

山坡的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均在坡腳處以及部分坡面上，分別是-2.5和1 MPa，則山坡坡腳及部分坡面易出現(xiàn)應(yīng)力集中和拉應(yīng)力；山坡X方向的位移為+25 cm，山坡整體最大位移為+50 cm，說明礦體在開采的過程中，山坡位移不斷向東移動，且在山坡的中心處及坡頂處的位移最大；山坡Z方向的位移為-50 cm，則山坡Z方向的位移不斷向下，且位移下沉最大位置位于坡頂處；山坡邊坡上的塑性區(qū)主要分布在坡頂和容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的坡腳處。山坡邊坡坡腳及部分坡面位置較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、位移量最大以及塑性區(qū)較多，則山坡坡腳及部分坡面位置較易破壞。

礦柱的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在礦柱上部，分別是-25和-2 MPa，則礦柱上部易出現(xiàn)應(yīng)力集中；礦柱X方向的位移為+27.5 cm，礦柱最大位移為+40 cm，說明礦柱位移方向與山坡一致，均不斷向東移動；礦柱Z方向的位移為-30 cm，則礦柱Z方向的位移不斷向下；礦柱的塑性區(qū)主要分布在礦柱上部，與采場頂板接觸位置。礦柱上部較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、位移量最大以及塑性區(qū)較多，則礦柱上部易破壞。

圖4 平面維度上方案1模擬計算結(jié)果

通過對方案1～方案6的山坡和礦柱的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)對比分析可知，模擬的6個回采方案在應(yīng)力和位移方面差別不大，而且最大應(yīng)力和位移均集中在山坡坡腳、坡頂及部分坡面位置和礦柱上部，單從數(shù)值上看不出各方案的優(yōu)劣；從塑性區(qū)分布來看，單中段回采時方案3礦柱上塑性區(qū)范圍較方案1和方案2少；多中段回采時方案6礦柱上塑性區(qū)范圍較方案4和方案5少。因此，在平面維度上不管礦體是單中段回采還是多中段回采，采用中間向兩翼回采順序較好。

4 結(jié) 論

(1)在高程維度上模擬的6個回采方案中，自上而下回采時山坡和礦柱應(yīng)力、位移和塑性區(qū)較自下而上回采時小，說明礦體自上而下回采相對較安全，即里農(nóng)礦段在高程上采用自上而下的回采順序較優(yōu)。

(2)在平面維度上模擬的6個回采方案中，應(yīng)力和位移方面相差不大，但從塑性區(qū)分布來看，不管礦體是單中段回采還是多中段回采，采用中間向兩翼回采順序較好，即里農(nóng)礦段在平面上采用中間向兩翼的回采順序較優(yōu)。

(3)里農(nóng)礦段在平面維度上采用跳采方式能較好控制地壓，能有效防止沖擊地壓產(chǎn)生。