覃慶韓 郭澤洋 韋 峰

（1.廣西華錫礦業(yè)有限公司銅坑礦業(yè)分公司；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司）

銅坑礦92#礦體為特大型緩傾斜錫多金屬礦體，早期按100 m 間距的勘探線劃分盤區(qū)，分區(qū)回采，并預(yù)留盤區(qū)之間的礦柱。開采后期，對于蘊(yùn)藏有大量優(yōu)質(zhì)資源的盤區(qū)礦柱需要全面回收，因面臨復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，且礦巖結(jié)構(gòu)非常破碎，因此，如何實(shí)現(xiàn)盤區(qū)礦柱的安全高效回收一直以來都是制約礦山安全生產(chǎn)的一大難題［1］。針對這一難題，很多學(xué)者開展了研究探索，陳何等［2］應(yīng)用束狀大直徑深孔爆破技術(shù)，對92#礦柱群的回采展開研究，取得了較好的效果；袁本勝等［3］通過聲發(fā)射技術(shù)，在礦柱群回采過程中進(jìn)行地壓活動(dòng)檢測，統(tǒng)計(jì)得出了采場應(yīng)力場與聲發(fā)射活動(dòng)頻度之間的相關(guān)關(guān)系；張紹國［4］通過預(yù)裂爆破與分段鑿巖和底部出礦的優(yōu)化改進(jìn)方案，順利采出礦柱礦石31.05萬t，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

從礦山整體安全角度考慮，回采順序在盤區(qū)礦柱安全回采中具有十分重要的意義，直接影響礦山整體的應(yīng)力分布與位移變形。FLAC3D作為一種大型有限元非線性分析軟件，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，尤其在礦山領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用與認(rèn)可［5-7］?；诖耍疚氖褂肍LAC3D軟件，對銅坑礦破碎盤區(qū)礦柱群的回采順序進(jìn)行模擬研究，為礦山最優(yōu)回采順序的選擇提供科學(xué)參考。

1 工程概況

銅坑礦業(yè)分公司隸屬于廣西華錫礦業(yè)有限公司，是集團(tuán)公司主要原材料的生產(chǎn)基地，其開采的主要礦體從上至下依次為細(xì)脈帶礦體、91#和92#礦體，在豎直方向呈立體重疊產(chǎn)出。礦床受倒轉(zhuǎn)背斜和與之大致平行的次級(jí)隱伏背斜以及軸向近東西向的短軸背斜復(fù)式傾伏端所控制［8］。92#礦體西走向長680 m，南北傾向長830 m，傾角15°～25°，最大厚度71 m，平均厚度22 m。

統(tǒng)計(jì)92#礦體各區(qū)段礦巖力學(xué)性質(zhì)、主要節(jié)理組及產(chǎn)狀、節(jié)理密度等因素，結(jié)合Q值法質(zhì)量評價(jià)，賦礦巖體屬中等穩(wěn)固，礦體裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性差。92#礦體開采范圍約1 km2，按主要勘探線自東向西劃分為7個(gè)盤區(qū)開采，設(shè)計(jì)盤區(qū)寬度100 m，盤區(qū)之間預(yù)留盤區(qū)礦柱寬25 m。目前各盤區(qū)主要礦塊回采完畢。由于前期采取部分崩落頂板和部分嗣后充填處理采空區(qū)的方式開采，造成盤區(qū)礦柱群大部分礦體和圍巖受壓破碎，礦柱周圍充填體和崩落體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其在深部中段回采，面臨高地應(yīng)力和結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境，盤區(qū)礦柱群回采十分困難，目前仍有大量礦柱的優(yōu)質(zhì)資源亟待回收。受礦體局部重疊的影響，盤區(qū)礦柱在回采時(shí)應(yīng)力集中明顯，因此通過三維數(shù)值模擬分析，掌握巖體應(yīng)力時(shí)空分布特征與地應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，進(jìn)行開采方案和回采順序的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)深部資源高效協(xié)同開采。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

本次建立的數(shù)值模型需要考慮礦山的實(shí)際開采狀況，對礦區(qū)整體建模，包括細(xì)脈帶礦體、91#和92#礦體，采用FLAC3D三維有限元模擬方法對開采現(xiàn)狀及下步開采情況進(jìn)行分析，確定出最優(yōu)回采順序。

用前處理軟件進(jìn)行外部建模。根據(jù)采區(qū)圍巖、采充現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，建立整體模型。模型范圍X=0～1 504.75（共1 504.75 m，為沿礦體東西方向），Y=0～2 123.55（共計(jì)2 123.55 m，為沿礦床南北方向），Z=0至地面，共劃分176.2萬個(gè)三角形網(wǎng)格，模型如圖1所示。

建模過程中的邊界條件和初始條件如下：

（1）模型底部采用固定約束，約束三向位移，四周采用水平位移約束，固定軸向位移，模型最頂部為自由面。

（2）在Y軸負(fù)方向施加重力加速度，大小為9.81 m/s2。

（3）根據(jù)前期在405 m 水平原巖應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果，σ1＝25.4 MPa，水平方向；σ2＝17.1 MPa，水平方向；σ3＝7.3MPa，豎直方向。采用有限元模擬分析時(shí)，豎直方向的應(yīng)力仍按巖層的自重計(jì)算，水平方向的2個(gè)應(yīng)力則通過側(cè)向系數(shù)的形式表達(dá)，側(cè)壓系數(shù)分別為3.0 和2.8，參照深部地應(yīng)力實(shí)際測量結(jié)果，隨著深度增加，側(cè)壓系數(shù)逐步減小。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山工程地質(zhì)特征，經(jīng)歸類工程處理后考慮7種力學(xué)介質(zhì)，即泥灰?guī)r、大扁豆灰?guī)r、細(xì)脈帶硅質(zhì)巖、小扁豆灰?guī)r、寬條帶灰?guī)r、礦體、充填體，綜合選取巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。礦圍巖、礦體、充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模擬方案

92#礦體的盤區(qū)礦柱群目前有數(shù)百萬噸高價(jià)值礦石資源待回收，選取四盤區(qū)礦柱為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行模擬分析，為下一步盤區(qū)礦柱群回收提供參考，各礦塊的位置及形態(tài)如圖2 所示。為便于試驗(yàn)區(qū)域礦體回收，減小試驗(yàn)區(qū)域上部松散體的影響，擬定3 種回采順序方案進(jìn)行模擬分析，方案一：先偏中心切割，接著回深部邊緣礦塊，最后按順序后退回采，即按照Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ礦塊的順序；方案二：按照自下而上（自北至南）順序，即按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ礦塊的順序；方案三：按照自上而下（自南至北）順序，即按Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ礦塊的順序。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 各方案最大應(yīng)力對比分析

不同回采方案中，各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束后應(yīng)力場都重新分布且發(fā)生變化，由圖3 和圖4 可以看出，方案二和方案三各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束后采空區(qū)頂板最大主應(yīng)力在1.15 MPa 左右，方案一中試驗(yàn)礦塊Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ回采結(jié)束后采空區(qū)應(yīng)力較小，回采試驗(yàn)礦塊Ⅳ、Ⅴ時(shí)應(yīng)力增大。從最大主應(yīng)力角度分析，方案一按照Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ的順序回采應(yīng)力較小。

3.2 各方案最小主應(yīng)力對比分析

通過提取各方案不同試驗(yàn)礦塊回采階段采空區(qū)的最小主應(yīng)力值，得到最小主應(yīng)力對比曲線如圖5所示，方案一最小主應(yīng)力的極值在40 MPa左右，方案二和方案三的最小主應(yīng)力極值在55 MPa 左右，方案二和方案三在局部很容易發(fā)生壓應(yīng)力破壞。對比3 條曲線，方案一整體的最小主應(yīng)力值較方案二和方案三要小，說明方案一在回采階段采空區(qū)更穩(wěn)定。

3.3 各方案位移對比分析

圖6 為不同方案各試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板的最大位移曲線圖，可以看出，方案一各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束采空區(qū)的位移在3個(gè)方案中處于較低的水平，試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板最大位移在18.72 cm左右，方案二和方案三試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板最大位移分別在25 cm 和23 cm 左右。從位移角度分析，方案一最大位移最小。

3.4 綜合分析

根據(jù)模擬結(jié)果綜合各項(xiàng)指標(biāo)考慮，最終確定的回采順序?yàn)榉桨敢唬窗凑铡跋绕行那懈钤倩夭缮畈窟吘壍V塊然后按順序后退回采”的礦塊順序進(jìn)行回采。為了防止施工中破碎礦柱和充填體的片落，模擬了首采礦塊在盤區(qū)礦柱一側(cè)預(yù)留3 m和5 m礦柱的力學(xué)環(huán)境，分析結(jié)果為，預(yù)留5 m 邊柱的方案整體上從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)角度優(yōu)于預(yù)留3 m 邊柱的方案。因此優(yōu)先推薦礦柱回采施工中邊部預(yù)留5 m 邊柱，為鑿巖、爆破施工提供安全保障?；夭蛇^程中采用應(yīng)力與圍巖監(jiān)測及微震監(jiān)測等手段監(jiān)測礦柱與圍巖穩(wěn)定性，實(shí)施安全回采。

4 結(jié)論

（1）通過對3 種回采方案中最大、最小主應(yīng)力和位移分析，采取方案一，即先偏中心切割再回采深部邊緣礦塊然后按后退式回采的順序，相比其他方案，其采空區(qū)頂板的位移量最小，頂板所受拉應(yīng)力較小，回采過程最為安全可靠。

（2）分析了首采礦塊預(yù)留邊柱可有效避免應(yīng)力集中情況的發(fā)生，可增加回采過程巖體的穩(wěn)定性，即首采礦塊預(yù)留5 m 邊柱，再切割偏中心的礦塊，然后采用后退式順序回采，及時(shí)充填已回采的礦塊，并采用微震監(jiān)測等手段監(jiān)測礦柱與圍巖穩(wěn)定性。提供現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，分階段實(shí)施盤區(qū)礦柱的安全高效回采，取得了良好的回采效果。

（3）通過研究，解決了深部資源回收面臨的高地應(yīng)力破碎盤區(qū)柱安全精準(zhǔn)開采的技術(shù)難題，可進(jìn)一步推進(jìn)礦山數(shù)字化和智能化協(xié)同開采建設(shè)進(jìn)程。