黃建鑫

（紫金（廈門）工程設(shè)計有限公司）

隨著礦產(chǎn)資源不斷開發(fā)，富礦資源量日漸減少，深部開采已經(jīng)成為國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開采的必然趨勢。深部“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，使得深部巖體力學(xué)特性及其工程響應(yīng)有著明顯的不同，同時也造成了巖爆、突水、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)等災(zāi)害性事故程度加劇，頻率提高，成災(zāi)機理更加復(fù)雜。合理的參數(shù)布置及開采方式可以有效地控制深部圍巖的應(yīng)力分布，減少深部回采過程中潛在危險問題的發(fā)生［1-4］。目前，關(guān)于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及回采方式的合理布置，諸多學(xué)者進行了相關(guān)的科學(xué)研 究。曹 英 莉 等［5］采 用CAD-Midas（GTS NX）-FLAC3D耦合數(shù)值建模方法，建立了礦體的網(wǎng)格模型，并對平行回采與階梯回采不同方案下的采場回采順序進行模擬分析，通過構(gòu)建的CRITIC賦權(quán)評價模型對井下不同回采順序進行了綜合評價；李勝輝等［6］基于Mathew法對試驗礦房頂板穩(wěn)定性和側(cè)幫穩(wěn)定性進行理論分析，得到礦房極限暴露長度和寬度，并建立二維平面應(yīng)變模型，按原設(shè)計回采工序進行數(shù)值模擬驗證；周科平等［7-8］利用遺傳算法與數(shù)值模擬協(xié)同分析對井下回采順序進行優(yōu)化研究；史秀志等［9］運用突變理論推導(dǎo)條柱失穩(wěn)的必要條件，對大跨度采場開挖及上部硐室穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，得到不同寬度條形礦柱下上部硐室頂板和條形礦柱的位移變化、最大應(yīng)力變化和塑性區(qū)；莫卿等［10］采用模糊評價理論，得出了不同開采技術(shù)條件下的采場最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將優(yōu)化的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于工程實例；向鵬等［11］和任衛(wèi)東等［12］分別對采用嗣后充填采礦方法的采場進行了回采順序優(yōu)化，并且根據(jù)不同采場圍巖狀態(tài)進行了不同的回采順序調(diào)整，大大提高了回采的安全穩(wěn)定性。

上述文獻均對于解決礦山采場參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用，但由于礦山地形的差異，并不能較準確地適用于本礦山。本研究利用數(shù)值模擬軟件分析，以阿舍勒銅礦為研究背景，以采區(qū)高度、回采方式等為優(yōu)化因素，分析了阿舍勒銅礦回采過程的變形、塑性區(qū)特征及應(yīng)力分布規(guī)律，提出了優(yōu)化設(shè)計方案，探討在該地質(zhì)條件下的最優(yōu)回采參數(shù)。

1 工程概況

阿舍勒銅礦礦區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，地形地貌簡單。礦體圍巖巖性較復(fù)雜，主要為晶屑巖屑凝灰?guī)r、含角礫凝灰?guī)r、灰綠色英安斑巖等，淺部頂?shù)装鍘r石多為軟弱巖石，銅礦體（層）為半堅硬—堅硬巖石，深部頂（底）板巖石多為半堅硬巖石，銅礦體（層）為堅硬巖石。巖體質(zhì)量屬壞—中等，現(xiàn)狀井巷穩(wěn)定性中等，開采過程易產(chǎn)生頂拱崩塌、硐壁變形、滑動等不良工程問題。確定礦床屬層狀巖類，工程地質(zhì)條件中等。

2 礦區(qū)幾何模型建立

根據(jù)該礦山現(xiàn)有開采條件，以深部礦體平均水平厚度為33 m，平均走向長度為200 m，平均傾角為70°建立數(shù)值模型，對實體模型進行分組，主要分為上盤圍巖（hanging wall）、下盤圍巖（foot wall）及按中段劃分的礦體（orebody）；模型尺寸為493 m×400 m×1 000 m，實體模型如圖1所示，材料選用Hoek-Brown強度準則折減后的參數(shù)，得到巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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3 采區(qū)高度模擬計算

將礦區(qū)0～600 m中段在縱向方向按100，150，200 m劃分采區(qū)，各采區(qū)回采時，自下而上回采采區(qū)內(nèi)各中段。設(shè)計100，150，200 m 3種采區(qū)高度方案，方案結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

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3.1 應(yīng)力變化特征分析

通過計算可知，應(yīng)力主要集中在采場邊和角部，上盤應(yīng)力集中較下盤大；對各開采步驟下最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力進行統(tǒng)計，見圖2。采場邊角處的應(yīng)力集中系數(shù)較大，方案Ⅰ最大達到1.81，方案Ⅱ最大達到1.96，方案Ⅲ最大達到2.16，如圖3所示。說明開采采場在垂直方向上間隔越小越有利于卸壓，0～150 m中段局部位置可能發(fā)生小范圍巖爆，但不影響整體回采；開挖過程中，部分圍巖及頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，均在0.1 MPa附近，處在巖體抗拉強度的邊緣，抗拉強度最大的地方均是在采場頂板的中部，很容易產(chǎn)生拉破壞。充填未接頂就會使采場頂板懸空，一旦超過抗拉強度，必然會導(dǎo)致破壞。因此進行充填接頂也是避免巖體頂板發(fā)生破壞的一個重要因素。各方案開采最后中段第一次開挖時，最小主應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)達到峰值。整體上，最大主應(yīng)力數(shù)值皆低于礦巖的巖石抗拉強度，從圖4可以看到，各方案第2步開挖時，充填體中線上部和下部產(chǎn)生約為0.20～0.23 MPa的最大主應(yīng)力，低于此處充填體抗拉強度，因此，礦巖及充填體不會產(chǎn)生拉伸破壞。

3.2 位移變化及塑性區(qū)分布特征分析

從圖5可以看出，采場底板起鼓和頂板下沉最大位移量隨開挖步驟逐漸增加，各方案開采最后中段第二次開挖時，最大位移達到峰值，方案Ⅰ第6步開挖達到-144 mm，方案Ⅱ第10步開挖達到-117 mm，方案Ⅲ第14步開挖達到-118 mm；考慮到深部礦巖節(jié)理密度較大，可能導(dǎo)致局部垮落。

各方案在最后步驟回采完成時的塑性破壞區(qū)如圖6所示。方案Ⅰ塑性區(qū)體積最大達到2.60×106m3，塑性區(qū)體積比達到0.69，方案Ⅱ塑性區(qū)體積最大達到2.55×106m3，塑性區(qū)體積比達到0.73，方案Ⅲ塑性區(qū)體積最大達到2.52×106m3，塑性區(qū)體積比達到0.71。整體而言，采場周邊充填體塑性破壞區(qū)隨著開挖的進行而明顯增加。各步驟拉伸破壞體積較少，剪切破壞體積較大，塑性破壞區(qū)主要集中在采場兩幫和頂板，從塑性區(qū)剖面圖和塑性區(qū)體積可以看出，各方案最后2步開挖時，由于兩側(cè)和頂?shù)装宥际浅涮铙w，塑性破壞區(qū)有大面積連通，頂板和兩幫充填體可能有大面積塌落，較為危險。

通過對比3個方案各步驟開挖各項指標，各方案的應(yīng)力集中系數(shù)排序：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ，方案Ⅰ最大位移略高于方案Ⅱ和方案Ⅲ，方案Ⅰ塑性區(qū)體積最大值略低于方案Ⅱ和方案Ⅲ。由于深部采場巖爆風(fēng)險增加，在方案Ⅱ和方案Ⅲ位移和塑性區(qū)優(yōu)勢不明顯的情況下，應(yīng)力集中系數(shù)較低的方案Ⅰ巖爆風(fēng)險更低。因此，3個方案中，方案Ⅰ優(yōu)于方案Ⅱ和方案Ⅲ。

4 采區(qū)回采方式模擬計算

將0～600 m中段在縱向方向按100 m劃分為6個采區(qū)，設(shè)計2種回采方式，方案a開采時不留頂柱，方案b回采時每個采區(qū)頂部預(yù)留10 m頂柱。各采區(qū)回采時，自下而上回采采區(qū)內(nèi)各中段。各方案按圖7回采順序回采，其中數(shù)字代表回采順序。

4.1 位移變化及塑性區(qū)分布特征分析

如圖8為各方案回采過程應(yīng)力變化情況，2個方案各中段開挖完畢時，即第4步和第8步開挖時，采場邊角處的應(yīng)力集中系數(shù)達到峰值，方案a分別為1.65（第4步）和1.81（第8步），方案b分別為1.65（第4步）和2.53（第8步），說明方案b巖石強度較硬的預(yù)留頂柱較充填體更容易應(yīng)力集中，第5步開挖時，方案a最小主應(yīng)力達到峰值123.9 MPa，局部應(yīng)力集中系數(shù)達到峰值2.83；方案b最小主應(yīng)力達到峰值115.3 MPa，局部應(yīng)力集中系數(shù)達到峰值2.64，50 m中段礦柱中有巖爆風(fēng)險，較為危險；第6至8步開挖時，卸壓完成，應(yīng)力集中系數(shù)較小，開采較為安全。從圖9可以看到，方案a、b第2步開挖時，充填體中線上部和下部產(chǎn)生約為0.23 MPa的最大主應(yīng)力，低于此處充填體抗拉強度，因此，礦巖及充填體基本不會產(chǎn)生拉伸破壞。

4.2 位移變化及塑性區(qū)分布特征分析

從圖10～圖11可以看出，最大位移主要出現(xiàn)在開挖采場頂、底板，兩幫和上下盤的位移相對較小，采場底板起鼓和頂板下沉最大位移量隨開挖步驟逐漸增加，無論采用哪個方案，采場均會產(chǎn)生較大位移，但整體而言較為安全；方案a第6步開挖達到-144 mm，方案b第8步開挖時位移達到最大值-102 mm，說明預(yù)留的頂柱可以降低頂板位移，考慮到深部礦巖節(jié)理密度較大，可能導(dǎo)致局部垮落。

各方案在最后步驟回采完成時的塑性破壞區(qū)如圖12所示。采場周邊充填體塑性破壞區(qū)隨著開挖的進行而明顯增加。各步驟拉伸破壞體積較少，剪切破壞體積較大，塑性破壞區(qū)主要集中在采場兩幫和頂板，從塑性區(qū)剖面圖和塑性區(qū)體積可以看出，第1～6步開挖較為安全，兩幫充填體可能有局部掉落；第7～8步開挖時，方案a由于兩側(cè)和頂?shù)装宥际浅涮铙w，塑性破壞區(qū)有大面積連通，頂板和兩幫充填體可能有大面積塌落，較為危險；方案b由于有預(yù)留頂柱，塑性破壞區(qū)連通面積較方案a小。

5 結(jié) 語

（1）應(yīng)力主要集中在采場邊緣以及角部，上盤應(yīng)力集中較下盤大，采場邊角處應(yīng)力集中系數(shù)較大。采場周邊充填體塑性破壞區(qū)隨著開挖的進行而明顯增加。塑性破壞區(qū)主要集中在采場兩幫和頂板。

（2）最大位移主要出現(xiàn)在開挖采場頂、底板，兩幫和上下盤的位移相對較小，采場底板起鼓和頂板下沉最大位移量隨開挖步驟逐漸增加。

（3）通過對比不同參數(shù)優(yōu)化方案，阿舍勒銅礦礦區(qū)采區(qū)高度為100 m，自下而上劃分為6個采區(qū)，采用預(yù)留10 m頂柱的回采方案最優(yōu)。