郭 旗，張 寶，顧生春，李志軍，吳亞飛

哈圖金礦盤區(qū)機械化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究

郭 旗1，張 寶2，顧生春1，李志軍1，吳亞飛1

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834025；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

合理采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取過程本質(zhì)上是安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)的權(quán)衡統(tǒng)一過程。根據(jù)哈圖金礦盤區(qū)機械化上向水平分層充填法工藝特點及礦體賦存條件，編排對比方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析，最后選取采場最大控頂高度為3 m，盤區(qū)內(nèi)中間采場超前3分層回采，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時，推薦采場長度為50 m；當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時，推薦采場長度為40 m。

盤區(qū)機械化;上向水平分層充填法;采場結(jié)構(gòu)參數(shù);數(shù)值模擬

0 引 言

哈圖金礦設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為1000 t/d，即年產(chǎn)礦石33 萬t。采用豎井開拓?，F(xiàn)有3個采區(qū)：400 m采區(qū)已經(jīng)結(jié)束開采，600 m采區(qū)正在采用上向水平分層充填法開采礦柱，千米井深部區(qū)域采用電耙出礦上向水平分層充填法開采。千米井礦區(qū)主要開采27-8，27-14，27-17礦脈，礦體屬急傾斜中厚中等穩(wěn)固礦體，傾角為60°~70°。經(jīng)采礦技改后，采用盤區(qū)機械化上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填采礦法開采。

該方法采場可沿礦體走向布置也可垂直礦體走向布置，但哈圖金礦一般為中厚礦體，最為適宜的還是沿礦體走向布置采場，只有在礦體較為厚大或特殊情況下用垂直礦體走向布置采場。因此井下主要采用沿礦體走向布置采場，采場長度為40～60 m，采場寬度為4~6 m，采場高度為中段高度50 m。該采礦方法不留頂柱和底柱，也不留間柱。

采礦工藝改變后，選取合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)就非常關(guān)鍵。合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅是保證安全開采的必要條件，同時也對開采綜合技術(shù)經(jīng)濟指標有著重要影響。

目前用來確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法主要有經(jīng)驗類比法和數(shù)值模擬法。前者因帶有一定的主觀性，缺少理論數(shù)據(jù)支撐，得出的結(jié)論令人難以信服；后者能通過定量的計算、分析、比較進行仿真模擬，同樣可以確定合理的開采方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序，其中，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬已經(jīng)成為模擬分析地下開挖穩(wěn)定性問題的有效方法。本文采用此方法進行哈圖金礦盤區(qū)機械化采場采礦決策科學(xué)化和設(shè)計優(yōu)化的模擬。

1 數(shù)值模擬方案與破壞判據(jù)

1.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)盤區(qū)機械化上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填法回采工藝特點，為盡可能模擬礦體“采?充”循環(huán)向上發(fā)展過程中的應(yīng)力、應(yīng)變疊加演變，每個采場最少進行4次“采?充”循環(huán)模擬計算。為了簡化模擬方案，模擬只對3個采場（作為一個回采盤區(qū)）超前回采順序和超前高度進行分析。

另外，設(shè)計采場拉底層高度為2 m，最大控頂高度為3 m時，分層高度為2 m，最大控頂高度為3.5 m和4 m時，分層高度為2.5 m。4次“采?充”循環(huán)有10~12 m垂直開采高度。自下向上最少劃分為5個分層。最下面兩個分層為拉底層和1分層，主要用于模擬采場拉底和分層充填，其余3，4，5分層模擬正常開挖及充填。

針對不同研究內(nèi)容，數(shù)值模擬方案的編排和數(shù)值模擬步驟如表1所示。

1.2 本構(gòu)模型及巖體力學(xué)參數(shù)

井下采場回采模擬分析涉及到圍巖體、礦體和尾砂膠結(jié)充填體，這些介質(zhì)均屬彈塑性材料，適用于Mohr-Coulomb準則分析研究，故采用摩爾?庫侖準則來確定礦體開挖后，采場應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律，獲得優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的巖體力學(xué) 依據(jù)。

RocLab是一款依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實驗或原位三軸及直剪試驗數(shù)據(jù)來計算巖土體強度參數(shù)的軟件。本次模擬基于上述原理，借助軟件對各巖石力學(xué)參數(shù)進行綜合平均折減處理，從而得到本次數(shù)值模擬所需的礦巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 數(shù)值模擬方案與步驟

考慮到巖石力學(xué)試驗成果的離散型，首先對各單位的巖石物理力學(xué)參數(shù)進行綜合分析平均處理，然后采用巖體強度參數(shù)計算軟件對各單位的相應(yīng)類型巖石力學(xué)參數(shù)進行折減處理。

基于礦山開采整體穩(wěn)定性分析，依據(jù)礦山巖石力學(xué)試驗結(jié)果，綜合各成果并根據(jù)相應(yīng)的公式計算得出對應(yīng)的體積模量和剪切模量，將折減成果及計算結(jié)果匯總后即得到本次數(shù)值模擬與材料屬性相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)值模擬礦巖體具體物理力學(xué)參數(shù)匯總見表2。

表2 修正后的礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬結(jié)果

2.1 采場最大控頂高度

在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，3個采場同步向上發(fā)展，應(yīng)力隨著控頂高度的增加而增大，頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表3所示。

M1的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移和剪切破壞塑性區(qū)體積小于M2和M3，因此，推薦選取最大控頂高度為3 m，開采分層高度為2 m，此時采場穩(wěn)定性狀況整體比較好。

2.2 采場間超前回采高度

通過對M4、M5、M6“開挖?充填”循環(huán)的對比分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個連續(xù)采場同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力數(shù)值大小隨著超前回采分層數(shù)的增加而降低，在采場開挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表4所示。

表3 M1、M2、M3的塑性區(qū)分布

表4 模型M4、M5、M6的塑性區(qū)分布

M5和M6的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移小于M4的，且M5和M6的剪切破壞塑性區(qū)體積相差不大，而與模型4相比均要小得多。因此，推薦最優(yōu)超前回采分層數(shù)為3個分層，這樣既能保證采場生產(chǎn)能力，且采場整體穩(wěn)定性狀況也比較好。

2.3 4 m厚礦體采場長度

根據(jù)M7、M8、M9“開挖?充填”循環(huán)的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個連續(xù)采場同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力數(shù)值大小隨著采場長度的增加而增加，在采場開挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表5所示。

表5 模型M7、M8、M9的塑性區(qū)分布

從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及豎向位移來看，3個模型模擬結(jié)果相差不算太大，但從塑性區(qū)分布情況對比分析，可知M9塑性破壞區(qū)域體積大大超過了M7和M8的塑性破壞區(qū)域體積，結(jié)合井下生產(chǎn)能力要求，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時，推薦最優(yōu)采場長度為50 m，這樣既能有效保證采場生產(chǎn)能力，也能保證采場整體穩(wěn)定性。

2.4 8 m厚礦體采場長度

根據(jù)上節(jié)4 m厚礦體模擬分析結(jié)果（見圖1），可以發(fā)現(xiàn)，采場頂板及上下盤出現(xiàn)了貫通性的塑性破壞區(qū)，采場開采寬度應(yīng)盡量控制在4 m以下。因此，當(dāng)?shù)V體水平厚度小于4 m時，采場寬度為礦體水平厚度；當(dāng)?shù)V體厚度大于4 m時，應(yīng)分兩步驟進行開采，每個步驟進路寬度不大于4 m為宜。

圖1 M7塑性區(qū)垂直走向分布特征

通過對M10、M11、M12兩步驟“開挖-充填”循環(huán)下最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分布特征的分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個連續(xù)采場同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力在采場開挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場開挖區(qū)域的頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表6所示。

表6 M10、M11、M12的塑性區(qū)分布

綜合礦山地質(zhì)情況、開采現(xiàn)狀、生產(chǎn)能力要求及數(shù)值模擬分析結(jié)果，當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時，推薦最優(yōu)采場長度為40 m。

3 結(jié) 論

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取過程本質(zhì)上是安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)的權(quán)衡統(tǒng)一過程。

（1）采場最大控頂高度?？紤]到井下工人在采場內(nèi)作業(yè)，高空區(qū)支護非常不便，勢必給采場安全生產(chǎn)造成威脅，使采出礦效率降低。因此，采場最大控頂高度不宜太大，確定采場最大控頂高度 3 m為宜。

（2）中間采場超前回采層數(shù)。超前回采與不超前回采相比，采場穩(wěn)定性有一定的提高。超前回采一定程度上起到了分隔相鄰連續(xù)回采采場的作用。另外，中間采場超前3個分層回采，采場相互獨立作業(yè)，生產(chǎn)互不影響，能有效提高生產(chǎn)效率。

（3）采場暴露面積。綜合安全生產(chǎn)及高效生產(chǎn)的各項要求，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時，推薦采場長度為50 m；當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時，推薦采場長度為40 m。

[1] 張 寶,劉 濤,等.上向水平分層充填法試驗盤區(qū)回采順序數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(10):11-15.

[2] 張 寶,張友剛,等.石湖金礦無間柱連續(xù)開采礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013,33(2): 1-4.

[3] 韓致型,王 寧,唐紹輝.上向分層充填無間柱采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2005,25(5):29-32.

[4] 鄧 建,李夕兵,古德生.無間柱連續(xù)采礦法礦段回采的地壓規(guī)律與控制技術(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報,2001, 11(4):666-670.

[5] 崔棟梁,李夕兵,趙國彥.新城金礦難采礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬分析[J].江西有色金屬,2006,20(3):13-17.

[6] 韓志型,王 寧.急傾斜厚礦體無間柱上向水平分層充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[J].巖石力學(xué),2007,28(2):367-370.

[7] 吳愛祥,胡 華.地下金屬礦山無間柱連續(xù)采礦工藝研究[J].金屬礦山,2001,1(10): 9-12.

[8] 張 寶,李向東,等.復(fù)雜采空區(qū)群處理及隱患資源回收綜合技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014,34(04):16-20.

(2019-09-02)

郭 旗(1971—)，男，新疆福海人，采礦工程師，主要從事采礦技術(shù)和安全方面的管理工作，Email: 1125649- 219@qq.com。