丹銀金礦采場(chǎng)落礦距離的優(yōu)化

藺 甲 趙維浩 張鳳鵬

(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.丹東丹銀礦冶有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118107)

丹銀金礦采場(chǎng)落礦距離的優(yōu)化

藺 甲1趙維浩2張鳳鵬1

(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.丹東丹銀礦冶有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118107)

在全面法中，頂板的穩(wěn)固性很關(guān)鍵，直接影響到回采作業(yè)能否順利進(jìn)行。根據(jù)丹銀金礦Ⅱ號(hào)脈2608采場(chǎng)頂板不穩(wěn)固的實(shí)際情況建立模型，對(duì)采場(chǎng)落礦距離進(jìn)行優(yōu)化，確定了合理的推進(jìn)距離既能夠保證回采工作的順利進(jìn)行，又使回采的效率得到提高。利用FLAC3D建立礦房模型,先開(kāi)挖切割上山，然后沿著礦脈推進(jìn)。對(duì)一次推進(jìn)2,3,4 m時(shí)頂板的受力情況進(jìn)行分析，得到采場(chǎng)應(yīng)力分布情況以及應(yīng)力集中區(qū)域，得到一次推進(jìn)3 m是最優(yōu)的落礦距離。研究的結(jié)果對(duì)礦山的實(shí)際生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

全面采礦法 FLAC3D數(shù)值模擬 開(kāi)挖

全面采礦法適用于緩傾斜礦體，并且礦巖較穩(wěn)固的情況下?；夭晒ぷ鲝那懈钌仙介_(kāi)始，然后由礦體的一側(cè)沿著礦房推進(jìn)[1]。由于地質(zhì)構(gòu)造的變化，當(dāng)上盤圍巖節(jié)理發(fā)育時(shí)，頂板的穩(wěn)固性降低，會(huì)造成頂板的冒落，對(duì)回采工作造成安全隱患[2-5]。回采過(guò)程中，鑿巖出礦都在暴露的頂板下，需要頂板的穩(wěn)固，確定頂板的暴露面積很重要。由切割上山開(kāi)始推進(jìn)，由于上盤圍巖的穩(wěn)固性的不同，一次爆破的礦石會(huì)有不同。若一次推進(jìn)的距離過(guò)大，頂板的暴露面積增大，會(huì)造成頂板大面積的冒落[6-8]；若一次推進(jìn)距離過(guò)小，則生產(chǎn)效率低，影響生產(chǎn)。結(jié)合丹銀金礦II號(hào)脈2608采場(chǎng)的具體情況，建立數(shù)值模型，利用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同暴露面積下頂板的情況進(jìn)行分析，確定了合理的推進(jìn)距離。

1 工程概況

丹銀金礦是在丹銀公司井田外圍探明的一座大型金礦床。丹銀灣地溝區(qū)已成為丹銀公司主采區(qū)，現(xiàn)已開(kāi)拓4個(gè)中段，每個(gè)中段高30 m。其中20 m中段、-10 m中段已完成開(kāi)拓和生產(chǎn)探礦工作，正處于回采階段，-40 m中段和-70 m中段正在進(jìn)行開(kāi)拓和生產(chǎn)探礦。本研究以20 m中段II號(hào)脈2608采場(chǎng)的落礦參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。II號(hào)脈礦體主要為蝕變片巖及上盤與之接觸的蝕變大理巖，蝕變片巖礦體為灰黑色、中細(xì)粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。蝕變大理巖礦體為灰白色、中細(xì)粒結(jié)構(gòu)、塊狀、角粒結(jié)構(gòu)，礦體礦化不均。礦體下盤為石榴石云母片巖，上盤為白云石大理巖，與礦體為漸變過(guò)度關(guān)系，沒(méi)有明顯分界，上盤巖石節(jié)理發(fā)育，礦體在東部逐漸尖滅。礦體傾角25°～30°，水平厚度8～20 m。根據(jù)礦體的賦存條件，采用全面采礦法進(jìn)行回采。由于上盤圍巖巖石節(jié)理發(fā)育，在沿著礦體走向推進(jìn)時(shí)，頂板的巖石會(huì)有冒落，對(duì)采場(chǎng)施工安全造成威脅。若一次推進(jìn)距離過(guò)大，會(huì)造成頂板冒落，影響回采的順利進(jìn)行；若推進(jìn)距離過(guò)小，會(huì)使生產(chǎn)效率較低，影響正常的回采，確定合理的推進(jìn)距離很重要。圖1是2608礦房的投影圖，2608-12沿是回采過(guò)程中開(kāi)挖的切割上山。

圖1 2608礦房結(jié)構(gòu)投影

2 數(shù)值模型建立

圖2為本次模擬根據(jù)2號(hào)礦脈的情況建立的簡(jiǎn)化三維模型。在綜合考慮礦山地質(zhì)的基礎(chǔ)上，選取2608礦房作為數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。利用ANSYS建立各個(gè)部分的模型：上下盤、礦體以及間柱的模型。導(dǎo)入到FLAC3D中，最終整個(gè)模型長(zhǎng)寬高為30 m×20 m×20 m。建立的模型共有80 104個(gè)單元，有16 184個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中礦體按照平均厚度6 m。兩側(cè)間柱取5 m。模型采用線彈性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。模型的邊界約束條件為對(duì)前后左右面水平位移約束；底面采用固定約束，水平和垂直位移均為零；在頂面不約束，考慮到埋深，頂面受到上部巖土的重力作用，施加載荷11 MPa。埋深較淺并且在礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力不明顯，未考慮水平應(yīng)力的影響，初始的應(yīng)力場(chǎng)只考慮由于重力產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)。

圖2 三維模型

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的取樣測(cè)量以及根據(jù)國(guó)內(nèi)相似礦山的測(cè)量數(shù)據(jù)，本次數(shù)值模擬采用折減后的參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)折減后的參數(shù)，先對(duì)模型進(jìn)行初始平衡計(jì)算，然后再對(duì)礦體進(jìn)行開(kāi)挖模擬。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖切割上山

初始平衡后，首先開(kāi)挖切割上山。對(duì)礦塊進(jìn)行回采工作，首先在礦房的一側(cè)切割1條切割上山，然后以此切割上山沿著礦體走向推進(jìn)。在模擬中，開(kāi)挖的切割上山寬3 m。圖3為開(kāi)挖切割上山后塑性區(qū)的模擬結(jié)果，可以看出在切割上山的頂板和兩側(cè)有少量的剪切破壞，但是不會(huì)造成巖石的冒落。

圖3 開(kāi)挖上山后模型塑性區(qū)

圖4為最大主應(yīng)力云圖，可以看到：由于開(kāi)挖，造成應(yīng)力的重分布，在頂板和底板上巖石受到拉應(yīng)力，應(yīng)力相對(duì)較大，在頂板和底板上最大主應(yīng)力達(dá)到了1.62 MPa，小于圍巖的最大拉伸強(qiáng)度。

圖4 開(kāi)挖上山后最大主應(yīng)力云圖

圖5為σy云圖，可以看到在上山的肩部有少量的應(yīng)力集中，最大的壓應(yīng)力達(dá)到20.7 MPa。在頂?shù)装迳?，仍受到壓?yīng)力的作用，在頂板中間位置的壓應(yīng)力最小達(dá)到0.14 MPa。說(shuō)明切割上山的開(kāi)挖不會(huì)造成頂板的受拉而破壞。

通過(guò)最大主應(yīng)力和σy的應(yīng)力分析得到，由于開(kāi)挖切割上山，造成應(yīng)力的重新分布，在切割上山的頂?shù)装逡约皞?cè)壁處，應(yīng)力有集中現(xiàn)象，應(yīng)力大小未超過(guò)礦巖的最大強(qiáng)度，不會(huì)造成巖石的破壞。結(jié)合模擬的單元的狀態(tài)，只有少量的剪切受損。在實(shí)際情況中，開(kāi)挖切割上山后，頂板未出現(xiàn)冒落，側(cè)壁也沒(méi)有出現(xiàn)破壞，與模擬的結(jié)果相吻合，可知模擬的結(jié)果與實(shí)際情況一致。

圖5 開(kāi)挖上山后σy云圖

3.2 不同開(kāi)挖方案模擬分析

切割上山開(kāi)挖以后，沿著礦體走向進(jìn)行推進(jìn)。礦山以往的經(jīng)驗(yàn)一次推進(jìn)的距離在2 m左右。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)以及相似礦山的對(duì)比，本次模擬選取一次推進(jìn)的距離有3種方案：2、3、4 m。下面通過(guò)每種方案模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)方案一：開(kāi)挖2 m。從切割上山開(kāi)始，沿著礦體推進(jìn)2 m，模擬結(jié)果如圖6～圖8所示。從圖6中單元的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可以看到，在頂板和底板以及側(cè)壁上均出現(xiàn)了剪切形式的單元體。在頂板中間位置出現(xiàn)了少量的拉伸破壞，不會(huì)有太多的巖石冒落。在實(shí)際的回采過(guò)程中，對(duì)頂板進(jìn)行挑頂工作可以進(jìn)行之后的回采作業(yè)。通過(guò)圖7分析看到，在頂板中間位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其中最大的拉應(yīng)力1.25 MPa。在拐角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中在左上角以及側(cè)下部出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為24.5 MPa。對(duì)于礦巖的影響不大，均未超過(guò)礦巖的最大強(qiáng)度。在軟弱結(jié)構(gòu)面處會(huì)出現(xiàn)少量的破壞。通過(guò)圖8可以看到，在整個(gè)頂板處應(yīng)力較大，應(yīng)力達(dá)到1 MPa左右。綜上可以看到，開(kāi)挖2 m能夠保證礦巖的穩(wěn)定，只有在頂板中間處有很少量巖石破損。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要對(duì)頂板進(jìn)行簡(jiǎn)單的挑頂工作，能夠使接下來(lái)的回采工作順利進(jìn)行。

圖6 開(kāi)挖2 m塑性區(qū)

(2)方案二：開(kāi)挖3 m。一次開(kāi)挖3 m后，模擬結(jié)果如圖9～圖11所示。在圖9中可以看到在頂板中間位置出現(xiàn)了少量拉伸破壞的單元，整個(gè)頂板出現(xiàn)了

圖7 開(kāi)挖2 m σy云圖

圖8 開(kāi)挖2 m最大主應(yīng)力云圖

圖9 開(kāi)挖3 m塑性區(qū)

圖10 開(kāi)挖3 m σy云圖

圖11 開(kāi)挖3 m最大主應(yīng)力云圖

剪切破壞單元。在頂板右上側(cè)的剪切破壞單元向上延伸，比開(kāi)挖2 m時(shí)少量增加。通過(guò)對(duì)比在切割上山開(kāi)挖的結(jié)構(gòu)可知，僅會(huì)在頂板拉伸破壞處有少量的冒落，而大部分受剪切破壞的單元不會(huì)出現(xiàn)大面積的垮塌。在圖10看到，在頂板中間位置出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力集中，其中最大拉應(yīng)力達(dá)到2.35 MPa，未達(dá)到頂板的最大抗拉強(qiáng)度2.84 MPa。在側(cè)壁右上方出現(xiàn)了壓應(yīng)力的集中，最大壓應(yīng)力26.4 MPa，也低于巖石的抗壓強(qiáng)度。最大主應(yīng)力如圖所示，可以看到在底板處出現(xiàn)了最大的應(yīng)力集中為3.13 MPa。在頂板處的最大拉應(yīng)力也在1～2 MPa左右，但是相比于開(kāi)挖2 m時(shí)候，整個(gè)頂板的拉應(yīng)力都達(dá)到1～2 MPa左右。通過(guò)圖11以及塑性區(qū)云圖可以看出，開(kāi)挖3 m，整個(gè)頂板相比于開(kāi)挖2 m時(shí)應(yīng)力增大了1 MPa左右。頂板出現(xiàn)拉伸破壞和剪切破壞的單元增加，但仍處于可以控制范圍之內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析不會(huì)有太多的巖石冒落，但開(kāi)挖之后需要處理頂板的浮石。通過(guò)模擬結(jié)果可知，當(dāng)開(kāi)挖3 m時(shí)，需要對(duì)頂板挑頂處理，待其穩(wěn)定后即可進(jìn)行回采的后續(xù)作業(yè)。

(3)方案三：開(kāi)挖4 m。一次開(kāi)挖4 m后，計(jì)算的模擬結(jié)果如圖12～圖14所示。在圖12中可以看到，頂板中間位置拉伸破壞的單元增加且范圍向上延伸，靠近頂板的兩層單元都發(fā)生破壞。因而在實(shí)際情況中，此處頂板很可能發(fā)生冒頂。在頂板兩側(cè)，剪切破壞的單元增加較多，斜向上延伸。在圖13中，可以看到在頂板中間位置出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.07 MPa，已經(jīng)超過(guò)頂板抗拉強(qiáng)度2.84 MPa。頂板已經(jīng)受到破壞，有較大的冒頂可能。在側(cè)壁應(yīng)力集中的區(qū)域，其中最大的壓應(yīng)力達(dá)到了32 MPa，比開(kāi)挖3 m時(shí)增加了7 MPa。在圖14上，底板應(yīng)最大達(dá)到3.2 MPa。整個(gè)頂板的應(yīng)力都在2 MPa左右，礦巖處于較大的應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)對(duì)巖石造成損傷。通過(guò)結(jié)果看出，開(kāi)挖4 m頂板中部造成了較多的拉伸破壞，最大應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)上盤巖石的最大強(qiáng)度，頂板會(huì)有較多的巖石冒落，頂板不穩(wěn)固，會(huì)對(duì)后續(xù)的回采作業(yè)造成影響。所以開(kāi)挖4 m時(shí)，不能保證頂板的穩(wěn)固，會(huì)影響到回采工作的順利進(jìn)行。

圖12 開(kāi)挖4 m塑性區(qū)

圖13 開(kāi)挖4 mσy云圖

3.3 最優(yōu)方案

圖14 開(kāi)挖4 m最大主應(yīng)力云圖

根據(jù)3個(gè)不同的開(kāi)挖方案繪制的應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖15、圖16。隨著開(kāi)挖距離的增加，最大主應(yīng)力以及頂板σy都逐漸增大。一次推進(jìn)2 和3 m，對(duì)頂板進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后都能保證頂板的穩(wěn)固，使回采工作順利進(jìn)行。推進(jìn)4 m時(shí)，頂板應(yīng)力超過(guò)巖石的最大抗拉強(qiáng)度，會(huì)使頂板破壞巖石冒落較多，不能確?；夭晒ぷ鞯陌踩?。當(dāng)開(kāi)挖4 m時(shí)頂板的最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度。在側(cè)壁上的最大壓應(yīng)力也逐漸增大，但均未超過(guò)巖石的強(qiáng)度。所以選取的最優(yōu)方案是一次推進(jìn)3 m。既能保證回采工作的順利進(jìn)行，又使回采的效率達(dá)到最高。

圖15 最大主應(yīng)力與開(kāi)挖距離的關(guān)系曲線

圖16 σy與開(kāi)挖距離的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)3個(gè)方案的數(shù)值模擬得到，隨著推進(jìn)距離的增大，頂板中部的拉應(yīng)力逐漸增大。側(cè)壁拐角應(yīng)力集中程度增加，最大壓應(yīng)力隨著開(kāi)挖距離增大而增大，符合礦山的實(shí)際情況。

(2)一次開(kāi)挖3 m頂板中間有少量巖石冒落，整體比較穩(wěn)固。對(duì)頂板進(jìn)行挑頂工作待頂板穩(wěn)固后即可以進(jìn)行后續(xù)回采。能保證頂板的穩(wěn)固，安全高效的回采礦石，使回采效率得到提高，對(duì)礦山安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Optimization of Ore Caving Distance in Mining Stope of Danyin Gold Mine

Lin Jia1Zhao Weihao2Zhang Fengpeng1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China; 2.DandongDanyinMiningCo.，Ltd.，Dandong118107，China)

In overall mining methods，the stability of the roof is very important，which can directly affect the mining operation proceed.Based on the actual situation of No.2608 mining stope in Danyin gold mine，the ore caving distance at the mining stope is optimized.A proper caving distance can guarantee mining work processed smoothly，and also improves the mining efficiency.FLAC3Dis adopted to establish the model of the mining room.The raise tunneling is carried out firstly，and then moved along with the ore vein，The stresses of roof at 2 m,3 m,4 m，are analyzed to get the stress distribution and stress concentration area.It is concluded that 3m is the best distance of ore caving.The research result provides a scientific basis to the actual production of the mine.

Overall mining method，F(xiàn)LAC3D，Numerical simulation，Excavation

2014-05-24

藺 甲 (1990—)，男，碩士研究生。

TD853.33

A

1001-1250(2014)-08-024-05