李朝軍

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鳳凰山銀礦急傾斜薄礦體安全高效開采技術(shù)研究

李朝軍

(廣西桂物爆破工程有限公司，廣西 南寧 530200)

廣西大部分金屬礦山采用淺孔留礦法回采，已無法滿足礦山生產(chǎn)效率高、勞動強低、安全可靠的可持續(xù)發(fā)展要求，迫切需要對淺孔留礦法進行技術(shù)改造，以提高礦山機械化裝備水平和勞動生產(chǎn)率。根據(jù)鳳凰山銀礦急傾斜薄礦體的儲存條件和礦山生產(chǎn)實際，提出適合急傾斜薄礦體的安全、高效率、低成本的開采技術(shù)—分段空場嗣后充填采礦法，結(jié)合3Dmine、ANSYS建立FLAC3D數(shù)值模型，采用FLAC3D對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化并開展了工業(yè)試驗，取得采場生產(chǎn)能力180 t/d、損失率7.40%、貧化率14.96%的預(yù)期效果。

急傾斜薄礦體；分段空場嗣后充填采礦法；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；工業(yè)試驗

1 采礦方法改造方案

分段空場嗣后充填采礦法沿走向布置礦塊，礦塊長為50 m，寬為礦體厚度，高為50 m，一般劃分為2～3個分段，高度為14～20 m。采準(zhǔn)工程在階段運輸巷道完成后，向礦體掘進裝礦進路、天井聯(lián)絡(luò)道、天井；在礦體底部布置拉底巷道，沿礦體走向布置分段鑿巖平巷，切割天井布置在礦塊中央，出礦采用鏟運機，二次破碎在出礦進路。礦房回采后，根據(jù)情況回收礦柱，并采用廢石充填采空區(qū)。典型方案如圖1所示。

2 回采順序及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 圍巖和礦體的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山實測和地質(zhì)資料得到的圍巖和礦體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 幾何模型尺寸

為完全模擬開采過程，以礦山提供的地質(zhì)地形圖、各階段實測平面圖經(jīng)3DMine、ANSYS處理后得到如圖2所示的FLAC3D模擬分析模型。采場內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型單元為226200個，節(jié)點為924001個。

試驗采場選取在180 m中段，本計算模型邊界應(yīng)力取值[1-3]：

式中，為水平方向的邊界應(yīng)力，為自重應(yīng)力，為側(cè)壓系數(shù)，為容重，H為深度。

采場內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化計算模型范圍=500 m(垂直礦體走向方向)，=0 m水平到地面高度(FLAC3D)，= 1260 m(沿礦體走向方向)(FLAC3D)。

2.3 模擬結(jié)果及分析

礦體開采后形成的空間破壞了原來平衡狀態(tài)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，在二次平衡過程中原巖對采場或采空區(qū)圍巖及礦柱施加的載荷引起了采場上盤、間柱變形、移動或破壞。嚴(yán)重的地壓顯現(xiàn)不僅會惡化采礦活動的條件，影響生產(chǎn)，甚至還會危及安全[4-10]。

為研究鳳凰山銀礦地下開采過程中采場地壓的分布及其顯現(xiàn)規(guī)律而開展本次模擬，模型方案與模擬步驟見表2。一方面以礦山具體開采條件為依據(jù)，探索出一些措施控制采場上盤巖層穩(wěn)定、礦柱穩(wěn)定，避免大規(guī)模劇烈地壓顯現(xiàn)，將采場地壓對安生生產(chǎn)的影響控制在容許范圍內(nèi)；另一方面根據(jù)采場地壓的分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，研究出一種高效、低成本、損失和貧化小、經(jīng)濟效益好的開采方案[11-14]。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

圖2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化FLAC3D模擬分析模型

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模擬方案與模擬步驟

(1) 間柱應(yīng)力分析。各個方案回采完成之后間柱最大主應(yīng)力值如表3所示。

從表3可知，隨著間柱寬度的減小，間柱中的最大應(yīng)力值隨之增加。但在間柱參數(shù)相同，改變頂柱參數(shù)時應(yīng)力變化較小，說明頂柱參數(shù)對間柱應(yīng)力影響較??；10 m與8 m間柱的最大主應(yīng)力值較為接近，6 m間柱最大主應(yīng)力極值最高達22.21 MPa，比10 m與8 m間柱中的最大主應(yīng)力極值大17%~27%。故從最大主應(yīng)力值應(yīng)力考慮，應(yīng)在10 m與8 m之間選取一最佳間柱參數(shù)。

(2) 間柱塑性區(qū)分析。抗拉破壞是間柱和頂柱出現(xiàn)塑性破壞的主要形式，而拉伸破壞和剪切破壞是礦柱兩壁出現(xiàn)塑性破壞的兩種主要形式；隨間柱參數(shù)減小，間柱塑性破壞區(qū)域有不斷增大甚至出現(xiàn)完全破壞的趨勢，判斷礦柱完全失穩(wěn)不能只看塑性區(qū)分布狀況，殘余應(yīng)力也有可能來自存在塑性區(qū)的礦柱，此時存在塑性區(qū)的礦柱并沒有完全失去承載作用。為增加礦柱的側(cè)壓、改善間柱受力狀態(tài)，可以采用廢石充填從而增加礦柱承載能力。

表4可以看出，塑性區(qū)體積值較為接近的間柱參數(shù)值為10 m和8 m，而塑性破壞區(qū)偏高的間柱參數(shù)值為6 m，為保證采場與礦區(qū)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)在10 m與8 m間柱之間選取合適的參數(shù)。

(3) 頂柱應(yīng)力分析。從表5可知，間柱的寬度對頂柱應(yīng)力影響很大，隨著間柱寬度的減小頂柱上最大主應(yīng)力激增，10 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱最大主應(yīng)力值為11.91 MPa，而6 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱最大主應(yīng)力值為13.15 MPa，后者比前者高10.4%；而間柱寬度相同時，頂柱寬度的減小也使頂柱的最大主應(yīng)力增大，但增幅相對較小。這說明在采場中上盤巖層轉(zhuǎn)移的大部分壓力由間柱承受，而頂柱承受的壓力較小；頂柱承受的壓力與間柱參數(shù)的關(guān)系較大，在選取頂柱的過程中應(yīng)充分考間柱參數(shù)。

頂柱拉應(yīng)力主要分布在頂柱的中間部位，從表6可知，相同頂柱條件下，隨著間柱寬度的減少頂柱拉應(yīng)力激增，如10 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值為0.021 MPa，而8 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值增大到0.203 MPa，而6 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值高達0.346 MPa，8 m方案的拉應(yīng)力為10 m方案的10倍，6 m方案的拉應(yīng)力為10 m方案的15倍。頂柱應(yīng)力分布大小受到間柱大小的影響，隨著間柱參數(shù)減小頂柱拉應(yīng)力會有大幅升高，由此可知，在采場上盤巖層轉(zhuǎn)移的大部分應(yīng)力都由間柱承受，而頂柱只承受了小部分的應(yīng)力，在選取頂柱參數(shù)時應(yīng)考慮到間柱參數(shù)的影響。根據(jù)分析結(jié)果，選取8 m間柱6 m頂柱為試驗采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 各個方案回采完成之后間柱最大主應(yīng)力值/MPa

表4 回采完成之后的塑性區(qū)/102 m3

表5 頂柱最大主應(yīng)力值/MPa

表6 頂柱拉應(yīng)力值/MPa

3 采場工業(yè)試驗

3.1 采場概況

0-1試驗采場位于180中段西部0線與1線之間。礦體儲存于F1斷裂破碎帶靠下斷面內(nèi)側(cè)，單體大脈狀，走向332°，傾向南南西，傾角75°，塊段面積1816.77 m2。礦體平均真厚度3.82 m，平均水平厚度4.88 m，平均銀品位672 g/t。礦石主要呈灰黑色，碎裂結(jié)構(gòu)，角礫狀、脈狀穿插構(gòu)造。礦層及其頂?shù)装鍘r體質(zhì)量一般，穩(wěn)固中等，巖石強度較弱，穩(wěn)定性中等。局部地段節(jié)理、次級斷層發(fā)育，局部沿結(jié)構(gòu)面充填大量泥質(zhì)，在開采過程中易發(fā)生崩塌、片幫現(xiàn)象，應(yīng)予以注意，采場水文地質(zhì)條件簡單。

3.2 試驗結(jié)果

試驗過程歷時4個月，完成采切工程量386 m，采出礦石21683 t。整個試驗各項工作都能順利開展，新采礦工藝的試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 試驗采場主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)

(1) 通過工業(yè)試驗，提升了生產(chǎn)能力，增大了安全可靠性，降低了采礦成本，礦石損失貧化低等。

(2) 整個回采過程中采場無大規(guī)模地壓突變現(xiàn)象發(fā)生，但需要注意的是對礦體頂板不穩(wěn)固區(qū)域進行 錨固。

(3) 試驗過程歷時4個月，完成采切工程量386 m，采出礦石21683 t，回采平均生產(chǎn)能力為180 t/d，礦石損失率為7.40%，貧化率為14.96%，達到了試驗預(yù)期要求。

[1] 刑靜忠,李 軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(學(xué)術(shù)版),2006,6(9):116?118.

[2] 郭 倉,譚志祥,牛海鵬.FLAC3D在采礦工程中的應(yīng)用[J].科技信息,2012,5(8):41?42.

[3] 黃 毅.蜂子山鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2012.

[4] 楊通錄.分段空場法在錫鐵山鋅礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2014, 14(2):3?4.

[5] 劉鋒光.貴州李家灣錳礦急傾斜極薄-薄礦體采礦方法[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015,12 (12):25?26.

[6] 劉培正,何定桿,韋志興.緩傾斜薄礦體采場頂板跨度及礦柱尺寸計算[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015,12 (12):22?24.

[7] 易理德,熊 毅,王卓雄.基于FLAC3D數(shù)值模擬的某礦山不同采礦方法對比[J].山西建筑,2016,42(9):71?72.

[8] 盛軍坤,郭靈飛,尚 東,等.基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法優(yōu)選[J].煤炭技術(shù),2016,35(01):17?19.

[9] 蔡漢玉,張耀平,雷大星.基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的殘礦回收方法優(yōu)選研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(5):7?9.

[10] 譚玉葉,宋衛(wèi)東,李鐵一,等.基于模糊判斷矩陣賦權(quán)的采礦方法多目標(biāo)決策優(yōu)選[J].采礦與安全工程學(xué)報,2014,31(4):551?557.

[11] 汪 朝,郭進平.基于模糊綜合評價理論的采礦方法優(yōu)選[J].礦冶工程,2015,35(3):27?36.

[12] 李雅閣.基于系統(tǒng)聚類的層次分析法對采礦方法影響因素分析及方案優(yōu)選[J].黃金,2015,36(11):28?31.

[13] 楊智勇.急傾斜薄礦脈采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].云南冶金, 2015,44(6):5?10.

[14] 姚金蕊.深部磷礦非爆連續(xù)開采理論與工藝研究[D].長沙:中南大學(xué),2013.

(2018?10?20)

李朝軍(1990—)，男，廣西百色人，研究生，主要從事礦山采礦、爆破、安全等工作，Email: 632726012@qq. com。