殘礦回采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

許水勝，成 涌，黃 敏，陳小康

（1．大冶有色金屬公司銅綠山礦， 湖北 大冶市 435101；2．長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410083；3．南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院， 江西 南昌 330031）

0 前 言

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定不僅與礦巖特性有關(guān)，還要考慮回采工藝方法和生產(chǎn)作業(yè)條件等多方面因素。過去采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定常采用經(jīng)驗(yàn)類比法，但依靠經(jīng)驗(yàn)類比法難以得出比較合理的參數(shù)，必須尋求一種更科學(xué)合理的方法來確定最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)礦體安全高效開采及控制地壓危害的重要措施。

銅綠山礦是大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司下屬的主力礦山，也是全國重點(diǎn)銅基地之一。銅綠山礦是一個(gè)生產(chǎn)近50a的老礦山，生產(chǎn)系統(tǒng)均已形成且較完善。目前井下主要生產(chǎn)中段是－305、－365、－425m三個(gè)中段，－185m和－245m處于殘礦回收狀態(tài)，露采南坑已經(jīng)閉坑，北坑由于需保護(hù)銅綠山古銅礦遺址的原因而處于殘礦回采階段。

本文主要研究Ⅲ號(hào)礦體－245m中段盤區(qū)5310采場的殘礦礦體部分，該部分礦體屬于上部已回采、下部未采的殘余采場。為最大限度地回收殘礦資源，從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)銅綠山礦殘礦采場的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)在保證生產(chǎn)安全的前提下，最大限度地減少礦柱的數(shù)量、礦柱的尺寸以及采切成本，并最大限度地提高采礦強(qiáng)度和生產(chǎn)效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隨著計(jì)算機(jī)和軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值分析方法也不斷創(chuàng)新，并逐漸成為巖石力學(xué)研究和工程開挖計(jì)算的重要手段。本文運(yùn)用三維有限元程序分析軟件FLAC3D對(duì)銅綠山礦殘礦礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，模擬不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)采場頂板及圍巖的應(yīng)力變形情況，進(jìn)而確定適合銅綠山礦殘礦礦體回采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 礦柱位置及個(gè)數(shù)確定

進(jìn)行工程地質(zhì)體開挖模擬時(shí)，通常先模擬出礦體圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，這樣模型中的礦體就處在原巖應(yīng)力場中，各個(gè)單元均存在應(yīng)力，此時(shí)進(jìn)行礦體開挖工程的模擬才與實(shí)際情況比較接近，并且開挖前的數(shù)值計(jì)算通常將原巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生的位移和速度值進(jìn)行清零處理。

本文研究的是殘礦礦體的回收，由于殘礦回采的特殊性，整個(gè)殘礦回采是在礦體面積、厚度一定的情況下進(jìn)行。為了合理確定礦柱位置，本文沒有按照傳統(tǒng)等間距方式布置礦柱，因?yàn)閷?duì)于一定區(qū)間內(nèi)的礦體回收，采用等間距布置礦柱也并不能保證每個(gè)礦柱的位置一定合理，即不能保證各個(gè)礦柱之間的頂板變形最小且各個(gè)頂板的變形盡量相等，同樣不能保證各個(gè)礦柱均勻地支撐著頂板圍巖。因此，為了使礦柱的布置位置更趨合理，本文將通過數(shù)值模擬計(jì)算得出頂板圍巖的最危險(xiǎn)布置，并確定礦柱的位置及個(gè)數(shù)。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，可以得出一個(gè)合理設(shè)置礦柱的方法：首先不設(shè)礦柱，對(duì)要進(jìn)行開挖的礦體進(jìn)行一次性全開挖，模擬出礦體圍巖產(chǎn)生最大變形的位置，并在變形最大的圍巖下設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)礦柱，這里就要結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行確定礦柱的位置；然后保留已設(shè)置的礦柱，再一次進(jìn)行模擬全開挖礦體，模擬出圍巖應(yīng)力、位移的分布特征，找出圍巖的最大變形及可能出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)域，設(shè)置礦柱；同理，找出其他各個(gè)礦柱位置，直到采場達(dá)到穩(wěn)定。

（1）不設(shè)礦柱。在確定第一個(gè)礦柱位置前，首先對(duì)礦體不留礦柱進(jìn)行一次性全開挖，如圖1、圖2所示，中間網(wǎng)格加密部分為殘礦礦體。由圖1、圖2可知，頂板圍巖的最大變形處出現(xiàn)在礦體中部，最大位移達(dá)到了1．732m，最大拉應(yīng)力為3．334MPa，所以第一個(gè)礦柱應(yīng)設(shè)置在最大位移處中部?？紤]到礦柱盡量少留的原則，若首先只設(shè)置1個(gè)礦柱，則礦體正西方向至少需設(shè)置2個(gè)礦柱，顯然這樣設(shè)置礦柱并不合理。因此，第一步首先在最大位移處設(shè)置2個(gè)礦柱（初步按礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)定礦柱寬度為5m）。

圖1 不設(shè)礦柱時(shí)礦體全開挖位移等值線

圖2 不設(shè)礦柱時(shí)礦體全開挖最大拉應(yīng)力等值線

（2）設(shè)置2條礦柱。設(shè)想在最不利的情況下進(jìn)行礦體的一次性全開挖，如果能滿足安全生產(chǎn)要求，則按正?；夭身樞蚧夭?，應(yīng)該更能保證其安全性。如圖3、圖4所示，在頂板圍巖變形最大處設(shè)置2條礦柱后，頂板圍巖的最大變形位置轉(zhuǎn)移到了兩礦柱兩邊暴露面的中部，且最大位移為9．056mm，最大拉應(yīng)力為2．515MPa，而原最大變形處的位移由1．731m迅速減小為8．0～9．0mm。因此，在兩礦柱的支撐下頂板圍巖的變形迅速減小，也證明所設(shè)置礦柱位置是合理的。

圖3 設(shè)置2條礦柱時(shí)礦體全開挖位移等值線

圖4 設(shè)置2條礦柱時(shí)礦體全開挖最大拉應(yīng)力等值線

由于所留礦柱兩邊頂板圍巖暴露面較大，最大位移偏大，且最大拉應(yīng)力大于礦體極限拉應(yīng)力，頂板巖層將受拉破壞，所以需要繼續(xù)設(shè)置礦柱以保證頂板圍巖的穩(wěn)定。同理，在已布置礦柱的正西方向暴露面的最大變形處設(shè)置另一條礦柱。

（3）設(shè)置三條礦柱。由圖5～圖8可知，設(shè)置3條礦柱時(shí)，頂板暴露面上的最大位移均為5．0～6．933mm，且從位移采樣記錄圖中可以看出各個(gè)礦柱及各礦柱之間的暴露面最大位移均趨于穩(wěn)定值；暴露面上的最大拉應(yīng)力為2．186MPa，小于礦體的最大抗拉強(qiáng)度2．30MPa，且暴露面上最大拉應(yīng)力只是一小區(qū)域，不會(huì)造成大破壞，所以由模擬結(jié)果可知，在3條礦柱的支撐下頂板能處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 設(shè)置3條礦柱時(shí)位移等值線

圖6 設(shè)置3條礦柱時(shí)各暴露面位移采樣記錄

圖7 設(shè)置3條礦柱時(shí)礦柱位移采樣記錄

圖8 設(shè)置3條礦柱時(shí)最大拉應(yīng)力等值線

因此，開采5310采場礦體，設(shè)置3條礦柱能夠保證頂板圍巖的穩(wěn)定性，且礦柱位置的確定也是合理的。3條礦柱垂直礦體走向并平行5309采場布置，如圖9所示。

圖9 3條礦柱布置示意

2 礦柱寬度的確定

前面礦柱的位置及個(gè)數(shù)是在假設(shè)礦柱寬度為5 m的情況下確定的，應(yīng)確定更合理的礦柱寬度，以減少礦石的損失和貧化。礦山通常采用先預(yù)留礦柱，后用上向水平分層充填采礦方法采礦，即在礦柱的支撐下進(jìn)行作業(yè)，由于是殘礦回采，這樣就涉及到礦柱寬度大小以及盡可能回采礦石的問題，因此，研究考慮不同礦柱寬度下回采采場的穩(wěn)定性。

由于采用的是上向水平分層充填采礦法，要得到礦柱的合理寬度，可以研究最不理想的情況下礦柱的最優(yōu)尺寸，如果在最不理想的情況下，選擇的礦柱寬度能夠滿足安全生產(chǎn)的要求，那么其它情況就一定可以滿足。而本研究中最不理想的情況是：3個(gè)礦柱左右兩邊的4個(gè)礦房每分層都一次性開挖。通過每一分層一次性開挖時(shí)位移、應(yīng)力對(duì)比，得到合理的礦柱寬度。

確定礦柱個(gè)數(shù)后，保持礦柱的中心位置不變，分別選取2種礦柱寬度進(jìn)行計(jì)算比較，以確定礦柱的合理尺寸。具體方案為：方案一，礦柱寬度為3m；方案二，礦柱寬度為4m。

兩方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表1，可知應(yīng)力分布特點(diǎn)大致相同，最大壓應(yīng)力主要分布在礦柱和頂板圍巖與礦體底板的接觸角點(diǎn)；最大拉應(yīng)力主要分布在采場頂板中央及礦柱與下盤圍巖的接觸面上。

表1 不同礦柱寬度下數(shù)值模擬結(jié)果

（1）位移分布狀態(tài)比較。過量的位移將導(dǎo)致頂板的冒落和礦柱的跨塌。由模擬結(jié)果可知，頂板的最大位移隨礦柱寬度的減小而增大，且最大位移區(qū)域主要出現(xiàn)在頂板中央位置，對(duì)比不同礦柱寬度下每步的開挖過程，可知兩種方案的最大位移都較小，均能滿足要求。

（2）頂板最大拉應(yīng)力比較。對(duì)模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，采場開挖以后，巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，在采場周圍出現(xiàn)位移變形和松動(dòng)區(qū)，頂板暴露面中央的巖層受拉，最大拉應(yīng)力隨礦柱寬度增大而減小。數(shù)值模擬過程中巖層的破壞形式主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞，而頂板所受的拉應(yīng)力是影響采場穩(wěn)定性的重要因素。方案二中的最大拉應(yīng)力均沒有達(dá)到頂板圍巖的最大抗拉強(qiáng)度2．20MPa，方案一中只有第二步開挖最大拉應(yīng)力超過頂板圍巖的最大抗拉強(qiáng)度2．20MPa，但也僅有2．262MPa，分布區(qū)域較小，不會(huì)引起大的破壞，而且開挖是在最不理想的情況下進(jìn)行，按正?；夭身樞虻脑挘瑧?yīng)該還是能保證回采的安全性，所以方案一也能滿足最大拉應(yīng)力要求。

（3）礦柱最大壓應(yīng)力比較。礦柱的穩(wěn)定性對(duì)采場頂板穩(wěn)定性起著決定性的作用，通常巖體在開挖后，礦柱的受力方式由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚴芰顟B(tài)，而巖體破壞機(jī)制及強(qiáng)度理論認(rèn)為礦柱中間位置最容易發(fā)生剪切破壞。礦柱一旦破壞就失去對(duì)頂板的支撐作用，從而使頂板處于懸空狀態(tài)，在四周巖體作用力下被拉裂、拉斷，變?yōu)楹喼Ш駧r梁，簡支巖梁由于受剪切的截面積減小，而突然發(fā)生剪切冒落，即發(fā)生所謂切冒型冒落。從礦柱的最大壓應(yīng)力等值線圖可知，礦體頂、底板與礦柱的接觸角點(diǎn)通常是應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置，說明該處對(duì)采場穩(wěn)定性影響比較大，2個(gè)方案中礦柱的最大壓應(yīng)力均小于礦石的單軸抗壓強(qiáng)度（27．78MPa），所以2個(gè)方案中的礦柱寬度均能保證礦柱安全。

綜合以上三方面的對(duì)比分析，2個(gè)方案均能保證采場的穩(wěn)定，但從礦石損失貧化方面考慮，則應(yīng)盡量少留礦柱，否則將成為永久損失，所以應(yīng)優(yōu)選礦柱寬度為3m的方案。

3 結(jié) 論

殘礦回采涉及的因素比較復(fù)雜，如何安全高效地回收殘礦資源進(jìn)而取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，是殘礦回采的首要問題。針對(duì)殘礦分布情況，本文采用先確定礦柱個(gè)數(shù)，再優(yōu)化礦柱尺寸，確定安全、合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，能達(dá)到安全回采以及最大限度地回收殘礦資源的要求，可為礦山殘礦回采提供一定的借鑒。

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