王炳文，熊庭永，崔向宇，張 浩，李施慶，宋恩祥

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.嵩縣山金礦業(yè)有限公司，河南 嵩縣 471400)

上向進(jìn)路充填采礦法作為開采節(jié)理裂隙發(fā)育礦體常用方法，能夠提高礦石回收率，降低礦石貧化率[1]，但往往存在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)保守、開采成本偏高等問題。因此，合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅能夠提高采礦工效，還能降低開采成本[2-3]。許多專家學(xué)者對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究，馮盼學(xué)等[4]對烏蘭礦開展了充填采礦方案的綜合比較和優(yōu)化；邱海濤等[5]從增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)角度考慮，進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，提升了礦山生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力；王志修等[6]根據(jù)烏蘭礦礦床開采技術(shù)條件，對不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究；羅朋等[7]基于紫金山深部銅礦采場，對采場的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；孫臣良等[8]針對五立鐵礦的礦巖條件，采用Mathews穩(wěn)定圖法與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究；李景波等[9]對大柳行金礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；王杰等[10]根據(jù)某巖金礦山開采技術(shù)條件，對采場跨度、分段高度等條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

結(jié)合九仗溝金礦實(shí)際情況，利用FLAC3D軟件分別分析跨度為4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m的采場應(yīng)力、位移分布，得到較為合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；并在現(xiàn)場開展工業(yè)性試驗(yàn)，通過對采場經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，得到試驗(yàn)方案的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

九仗溝金礦區(qū)內(nèi)的礦體為構(gòu)造蝕變巖型金礦床，礦區(qū)內(nèi)主要有Ⅰ號礦體和Ⅱ號礦體，礦體呈脈狀產(chǎn)出，圍巖主要為流紋巖和英安巖。礦體賦存于M1構(gòu)造蝕變帶內(nèi)，北翼礦體寬度較穩(wěn)定，厚度較為平均。礦體上盤圍巖為英安巖，無蝕變，巖石穩(wěn)定性較好；靠近下盤區(qū)域節(jié)理較為發(fā)育，水平節(jié)理發(fā)育，礦體下盤為蝕變碎裂巖，蝕變較強(qiáng)，有硅化等蝕變，巖石穩(wěn)定性差。水文地質(zhì)情況簡單，無涌水、淋水現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際采場跨度為4.0 m，在回采過程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)極為保守，部分資源開采受限，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，需要對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保礦山安全、高效生產(chǎn)。

2 數(shù)值模擬分析

通過理論計(jì)算以及參考采場實(shí)際生產(chǎn)時礦房的跨度，利用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，改變礦房的跨度值，對九仗溝金礦采場跨度值進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 模型構(gòu)建

1) 計(jì)算模型(圖1)。模型尺寸為長×寬×高=300 m×150 m×120 m，Z軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，X軸正方向水平向右，Y軸正方向與礦體走向一致，計(jì)算模型礦體傾角平均60°，礦體厚度取40 m。

2) 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)。采用莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，已開挖巖體采用空殼模型。根據(jù)九仗溝金礦巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合折減系數(shù)法確定巖體工程力學(xué)參數(shù)，見表1。

3) 邊界條件。模型底面采用位移邊界條件，限制X、Y、Z方向位移；四個側(cè)面采用位移邊界條件，限制各側(cè)面法線方向位移；頂面采用應(yīng)力邊界條件，即將上覆巖層重力換算為均布法向應(yīng)力施加于頂面。

2.2 模擬方案

本次模擬共有七個方案，各方案的參數(shù)見表2。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass mechanics parameter

巖體名稱密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa上盤2 74025.00.215.5423.6礦體2 78027.80.195.0464.2下盤2 68021.00.225.3533.5充填體2 0201.20.280.7370.9

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案Table 2 Optimization scheme of structural parametersin mining field

2.3 各方案計(jì)算結(jié)果分析

模擬結(jié)果主要根據(jù)應(yīng)力、位移分布情況進(jìn)行分析，鑒于篇幅，僅給出方案5(礦房跨度為8.0 m)沿采場長軸中央的計(jì)算結(jié)果剖面圖及各方案的計(jì)算結(jié)果匯總，對礦房4、礦房5和礦房6進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3.1 應(yīng)力分布規(guī)律分析

礦房跨度增大時，頂?shù)装迦菀桩a(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過頂?shù)装鍘r體的抗拉強(qiáng)度時，采場就會失穩(wěn)。

圖2是礦房跨度為8.0 m的拉應(yīng)力分布云圖。從圖2中可以看出，礦體按跨度為8.0 m開挖時，礦柱局部出現(xiàn)應(yīng)力降低，即礦柱已經(jīng)開始破壞；而頂板則出現(xiàn)較為明顯的拉應(yīng)力集中，頂板最大拉應(yīng)力為2.7 MPa，接近頂板的抗拉極限。同一方案中，礦房6的頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力比其余礦房要大，這是由于回采順序?yàn)樯闲虚_采導(dǎo)致的，礦房6頂?shù)装灞绕溆嗟V房更容易達(dá)到巖體的最大抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破壞。因此，在開采時應(yīng)加強(qiáng)對中間礦房頂?shù)装宓谋O(jiān)測。

圖3為礦房6頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力隨礦房跨度變化曲線圖。由圖3可知，不同方案中，采場頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力表現(xiàn)出隨著礦房跨度的增大而增加的規(guī)律，且礦房跨度為10.0 m時其頂板拉應(yīng)力已經(jīng)超過了巖體最大抗拉強(qiáng)度，在10.0 m跨度下開采，采場頂板極易發(fā)生破壞，無法保持穩(wěn)定。

2.3.2 位移分布規(guī)律分析

采場穩(wěn)定性可以通過頂?shù)装鍘r層的位移量體現(xiàn)。若采場圍巖變形量過大，采場就有可能失穩(wěn)。因此，選取位移量作為評定采場穩(wěn)定的指標(biāo)。

圖2 礦房跨度為8.0 m的拉應(yīng)力分布Fig.2 The tension stress of a span of 8.0 m

圖3 礦房6頂板最大拉應(yīng)力隨礦房跨度變化Fig.3 Maximum tensile stress of 6 roof ofmine room changes with mine span

圖4 礦房跨度為8.0 m的頂?shù)装逦灰品植糉ig.4 Roof and floor displacement distributionof a span of 8.0 m

圖4為礦房跨度8.0 m的位移分布云圖。由圖4可知，礦體開挖之后，礦房頂板產(chǎn)生了不同程度的下沉量，主要集中在釆場中部，其中部分釆場底板在應(yīng)力作用下產(chǎn)生了明顯的鼓起位移，集中于采場中部。同一方案中，礦房6的頂板下沉量最小、底鼓量最大，這是因?yàn)殚_采順序不同導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖5為礦房6頂?shù)装逦灰屏侩S礦房跨度變化曲線圖。由圖5可知，采場頂?shù)装逦灰屏侩S著跨度的增大而增加，具體為先急劇增加，跨度達(dá)到6.0 m后緩慢增加，跨度達(dá)到8.0 m后又急劇增加。

圖5 礦房6頂?shù)装逦灰屏侩S礦房跨度變化Fig.5 Change of the displacement of 6 top floor ofmine room with the span of mine

2.3.3 數(shù)值分析結(jié)果

FLAC3D模擬結(jié)果顯示，目前技術(shù)條件下，8.0 m是最大的可控頂板跨度。因此，為保證采場安全回采，選取8.0 m作為采場設(shè)計(jì)的極限寬度，實(shí)際生產(chǎn)中，將采場寬度嚴(yán)格控制在8.0 m以下。

3 工程應(yīng)用

在九仗溝金礦140中段的01采場和35采場四分層進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，該地區(qū)礦體巖性為構(gòu)造角礫巖，角礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦化以硅化為主，黃鐵礦化呈浸染狀分布于巖石中。

3.1 試驗(yàn)采場參數(shù)變更

140中段35采場將原有的153533/153535/153537三條進(jìn)路，設(shè)計(jì)更改為153533/1535313，設(shè)計(jì)進(jìn)路跨度為7.0 m，礦房長度25.0 m。01采場原設(shè)計(jì)15M231/15M232/15M233/15M234四條進(jìn)路變更為15M231/15M232/15M233三條，進(jìn)路寬度平均為7.0 m，長度43.0 m。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

試驗(yàn)采場經(jīng)過支護(hù)后，使用多點(diǎn)位移計(jì)對試驗(yàn)采場頂板進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，將多基點(diǎn)位移計(jì)布置在礦房頂板處，每組2個測點(diǎn)，測量頂板下沉量。

每天記錄數(shù)據(jù)，將收集的數(shù)據(jù)繪制成變形曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，現(xiàn)場試驗(yàn)效果較好，頂板變形量均為毫米級別，礦房跨度為7.0 m，目前條件下可以有效地進(jìn)行采場穩(wěn)定性控制。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

采場參數(shù)變更后，對試驗(yàn)采場技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)采場與之前采場采礦主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對照見表3。

圖6 觀測點(diǎn)位移變化Fig.6 Displacement change of observation point

表3 采礦主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對照Table 3 Mining main technical and economic indicators

指標(biāo)名稱35采場試驗(yàn)礦房指標(biāo)01采場試驗(yàn)礦房指標(biāo)試驗(yàn)前礦房生產(chǎn)平均指標(biāo)礦房采礦量/t3 1858 834.9-采礦損失率/%1.261.993.98采礦貧化率/%8.064.9310.53采礦工效/(t/工班)54.255.144.1采礦直接成本/(元/t)31.330.833.8單位礦石成本/(元/t)67.166.766.5

現(xiàn)場結(jié)果表明：采場經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化之后，不僅實(shí)現(xiàn)安全、合理、高效開采，同時增大礦產(chǎn)資源利用率，還增加了經(jīng)濟(jì)效益，具有很大實(shí)用價值。

4 結(jié) 論

1) FLAC3D模擬結(jié)果表明，目前技術(shù)條件下，8.0 m是最大可控頂板跨度，為保證采場安全回采，選取8.0 m作為采場設(shè)計(jì)的極限寬度，實(shí)際生產(chǎn)中，將采場寬度嚴(yán)格控制在8.0 m以下。

2) 將采場跨度適當(dāng)變更之后，現(xiàn)場使用效果良好。現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)表明，采礦損失率、貧化率有所下降，工人的采礦工效得到改善，極大地提高了工人的勞動積極性，同時礦產(chǎn)資源得到合理有效利用。對于兩條進(jìn)路變更為一條進(jìn)路開采的采場，回采結(jié)束時采用全尾礦進(jìn)行充填，可減少礦山的充填成本，為礦山企業(yè)創(chuàng)造更大的收益。不僅解決了九仗溝金礦礦體開采問題，也對類似礦山具有一定的借鑒意義。