深部松散礦體開采技術(shù)數(shù)值模擬研究

徐培良，王建國，石 飛，周山山，楊德源，何 進

（1.云南錫業(yè)股份有限公司大屯錫礦，云南 個舊 661000；2.云南農(nóng)業(yè)大學建筑工程學院，云南 昆明 650201；3.昆明勘晟礦業(yè)有限公司，云南 昆明 650100；4.昆明鋼鐵集團公司大紅山鐵礦，云南 新平 653100）

深部松散礦體開采技術(shù)數(shù)值模擬研究

徐培良1，王建國2，石 飛3，周山山1，楊德源4，何 進2

（1.云南錫業(yè)股份有限公司大屯錫礦，云南 個舊 661000；2.云南農(nóng)業(yè)大學建筑工程學院，云南 昆明 650201；3.昆明勘晟礦業(yè)有限公司，云南 昆明 650100；4.昆明鋼鐵集團公司大紅山鐵礦，云南 新平 653100）

云錫松礦1360中段以下30-14礦體松散破碎，開采難度較大。為滿足深部安全及經(jīng)濟合理的開采要求，通過對房柱法和下向進路式分層膠結(jié)充填法進行技術(shù)經(jīng)濟比較，以及兩種方法的數(shù)值模擬分析，確定采用下向進路式分層膠結(jié)充填法作為30-14礦體的采礦方法。該方法雖然成本高于房柱法，但回采的礦石資源多，創(chuàng)造的經(jīng)濟價值大，比房柱法多獲得利潤總額5 408萬元，且開采的安全性更能得到保障。研究成果為類似礦體開采積累了經(jīng)驗，對礦山生產(chǎn)建設(shè)和深部資源開發(fā)利用都有實際的指導意義。

深部開采；松散礦體；下向進路式分層膠結(jié)充填法；經(jīng)濟指標；安全率

金屬礦山深部開采面臨一系列新的技術(shù)難題，如采準巷道維護更加困難、底板突水事故增加、沖擊地壓頻發(fā)等[1]。而深部破碎礦體形態(tài)比較復雜，礦體內(nèi)穿插有圍巖夾層，頂?shù)装宓钠鸱兓螅装l(fā)生局部或區(qū)域性的地壓災害，巷道和采場垮塌、冒落嚴重，掘進和支護十分困難，所以迫切需要對深部復雜條件下的礦體開采進行研究[2]。楊清林等[3]根據(jù)某金礦極破碎礦床的地質(zhì)條件，對采場參數(shù)進行數(shù)值模擬優(yōu)化，確定了可行的回采方案。張寶等[4-5]對礦體在大體積充填體下的回采順序和膠結(jié)充填采礦法盤區(qū)回采工藝進行數(shù)值模擬研究，確定了最優(yōu)回采順序和充填工藝。黃文等[6-8]針對地下鎢礦山出現(xiàn)的巷道開裂、垮塌、冒落及采空區(qū)大面積塌方和地表沉陷等問題，對采空區(qū)進行了廢石或尾砂膠結(jié)充填處理，不僅有效控制了礦區(qū)開采過程中地壓活動對井下工程的破壞，還降低了生產(chǎn)成本。但本研究礦體開采條件極為復雜，需對開采方案進行設(shè)計比較和數(shù)值模擬分析[9]。

1 采礦方法的初步確定

1.1 工程概況

云南錫業(yè)集團云錫松礦1360中段以下30-14礦體產(chǎn)出于花崗巖與大理巖接觸帶，控制走向長約200 m，寬120 m，鉛垂厚1～18 m，礦體賦于1 360 m中段潛水面以下，上部有1360m平臺主運輸巷道和排水巷道穿過，如圖1所示。礦體圍巖頂板為大理巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，底板為夕卡巖、長英巖、花崗巖。花崗巖的頂部呈云英巖化、絹云母化、綠泥石化，礦石呈強風化～半風化，穩(wěn)固性極差，黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等硫化物呈稀疏－稠密狀、細脈狀浸染分布，礦體多呈透鏡狀、似層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性差。

圖1 礦體與巷道投射關(guān)系Fig.1 Projection relation between orebody and roadway

1.2 采礦方法初步分析

根據(jù)礦體開采技術(shù)條件，初步可選采礦方法有：房柱法；下向進路式分層膠結(jié)充填法；上向水平分層充填法。采用上向水平分層充填法開采時，回采作業(yè)面頂板安全性得不到保障，施工安全投入較大，需要從礦體最低端開始回采，礦體的生產(chǎn)準備時間較長，難以滿足當期的生產(chǎn)需求，可以排除。房柱法和下向進路式分層膠結(jié)充填法主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比如表1所示。

然后再對下向進路式分層膠結(jié)充填法和房柱法進行數(shù)值模擬計算，以確定最優(yōu)的開采技術(shù)方案。

表1 房柱法和下向進路式分層充填法主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比表Tab.1 Comparison table of main technical economic indicators of two schemes

2 數(shù)值模擬準備

2.1 巖石室內(nèi)試驗

針對30-14礦體頂板（大理巖）、氧化礦、底板（花崗巖）結(jié)構(gòu)及強度的特點，選擇一定數(shù)量的巖塊進行加工并進行強度測定，得到數(shù)值計算的基本參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of numerical simulation

2.2 數(shù)值計算指標

安全率是由摩爾-庫侖強度準則所決定的極限應力狀態(tài)與實際應力狀態(tài)的比值。安全率為1時處于臨界狀態(tài)，且安全率越大，安全性越好（對地下礦山，一般認為安全率大于1.15是偏于安全的）。對于地下礦山而言，頂板、間柱、圍巖等是否破壞，除了分析應力應變、塑性區(qū)分布及位移外，安全率的分布，在某種程度上，可以非常直觀明了地對開挖所造成的損害程度進行說明。

3 充填效果數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D進行數(shù)值模擬，模擬進路規(guī)格為4m×4m，上下分層的進路方向垂直交錯布置。由于膠結(jié)充填進路式采礦開采[9]及充填步驟較多，數(shù)據(jù)量較大，在此對中間回采、充填等不再進行分析，僅對整個分層充填后充填體的作用及頂板穩(wěn)定性進行分析。

3.1 應力分布模擬結(jié)果分析

充填體及充填完成后頂板應力分布模擬結(jié)果見圖2、圖3。圖2模擬結(jié)果顯示，充填體所承受的最大主應力為48.548 MPa；圖3模擬結(jié)果顯示，整個分層充填結(jié)束后，頂板最大主應力達到45.87 MPa。充分說明充填體的強支護作用；礦體頂板沒有拉應力出現(xiàn)，此時頂板是趨于穩(wěn)定的。

圖2 充填體最大主應力分布Fig.2 The maximum principal stress distribution of the filling body

圖3 充填后頂板最大主應力分布Fig.3 Main stress distribution of the back top plate after filling

3.2 安全率分布模擬結(jié)果分析

從充填體及充填完成后頂板安全率分布模擬結(jié)果（圖4、圖5）看，整個分層充填結(jié)束后，充填體的最小安全率為1.197，充填后頂板最小安全率為1.237，均大于臨界狀態(tài)，滿足地下礦山安全的經(jīng)驗值，這也充分說明了充填體的存在大大提高了頂板的穩(wěn)定性。

圖4 充填體安全率分布Fig.4 Distribution of backfill safety rate

圖5 充填后頂板安全率分布Fig.5 Safety rate distribution of top plate

3.3 塑性區(qū)分布模擬結(jié)果分析

從充填體及充填完成后頂板塑性區(qū)分布模擬結(jié)果（圖6）看，整個分層充填結(jié)束后，充填體大部分進入了塑性狀態(tài)，即進入承載狀態(tài)，說明充填體雖然不能完全阻止圍巖移動，但可以最大限度地限制圍巖的變形和移動。充填完成后頂板幾乎沒有塑性區(qū)出現(xiàn)，僅在局部有零星的塑性區(qū)出現(xiàn)，此時頂板是穩(wěn)定的，說明充填體在抑制頂板變形中起到了至關(guān)重要的作用。

圖6 充填體塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of pack plastic zone

3.4 房柱采礦法數(shù)值模擬分析

寬度10 m，強度C20的混凝土房柱采礦法的數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示：開采后頂板拉應力最大值為2.16 MPa，大于大理巖折減后的抗拉強度值（約為1.8 MPa）；頂板位移指向采空區(qū)；最小安全率為1.12，不滿足地下礦山安全率要求；頂板大理巖塑性區(qū)比較多，且呈連片現(xiàn)象。以上結(jié)果均說明此時頂板暴露面積超出了大理巖自身的極限暴露面積，會造成頂板變形、垮塌。相比之下，采用進路式分層膠結(jié)充填采礦能最大限度地抑制頂板和圍巖的變形，滿足礦體開采的安全要求。

4 下向進路式分層膠結(jié)充填采礦法

4.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

礦塊沿走向和垂直走向布置，長15～74 m，自上而下分為八層，各分層寬度如下：第一層46 m、第二層80m、第三層56m、第四層62m、第五層56m、第六層82 m、第七層35 m、第八層46 m，每層高4 m，進路寬4 m，不留間柱和頂?shù)字２蓤霭徇\方式為鏟運機及礦用汽車。在各分層內(nèi)設(shè)置分層聯(lián)道和回采進路，分層聯(lián)道用于分層內(nèi)運輸、充填和通風，回采進路用于采礦。

4.2 礦體回采順序

將礦體分為南北兩個盤區(qū)，兩個盤區(qū)可同時回采，互不影響。南盤區(qū)從第一層往下回采，一共回采五個層；北盤區(qū)從第五層的西坡開始往下回采，一共回采四個層。南北盤區(qū)回采時，嚴格遵守由上而下的順序進行開采，即上一分層采充結(jié)束之后方可進行下一分層的開采。

4.3 采切工程布置

在礦體主斜坡道上按各分層的高度，施工分層斜坡道達到礦體，沿礦體邊界掘進，探清礦體形態(tài)，首先施工進路與回風井貫通，每條進路回采的進路規(guī)格為4 m×4 m，即每一分層的高度為4 m，為了保證充填體穩(wěn)定性，相鄰的上下兩分層回采進路呈近似垂直交錯布置（第一、三、五、七層進路為25°～205°方向，第二、四、六、八層為 295°～115°方向）。

4.4 回采工藝

采用自上而下回采，進路高度為4.0 m，寬度為4.0 m。采用阿特拉斯S1D掘進鑿巖臺車進行鑿巖爆破，采用大直徑空眼桶形掏槽爆破，空眼直徑100mm，孔深3.4 m，其他裝藥炮孔直徑45 mm，孔深3.2 m。偏進路底板布置大孔徑掏槽，非電導爆管微差爆破，這樣的爆破設(shè)計可減小爆破震動對頂板充填體的破壞作用，確保充填體的安全穩(wěn)定；同時，在頂板充填體下部的碎石墊層能有效降低爆破沖擊波對充填體的影響。

4.5 采場充填

采場清理完畢后，從里向外按排距1.2 m，間距1.2 m打吊掛錨桿，錨桿內(nèi)焊接吊筋，吊筋的直徑為16 mm，巷道底板鋼筋以焊接方式與吊筋相連，由主筋和副筋構(gòu)成，主筋直徑16 mm，網(wǎng)格為1.2 m×1.2 m，副筋直徑10～12 mm，網(wǎng)格為0.3 m×0.3 m。沿鄰側(cè)回采進路的巷道幫預留0.5 m長的主筋，并用直徑不小于為12 mm的鋼筋將留出的主筋連成整體，回采結(jié)束鋪設(shè)底筋時，與預留主筋相焊接，使兩個相鄰的進路成為一個整體，以保證充填體的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

通過對房柱法和下向進路式分層膠結(jié)充填法的技術(shù)經(jīng)濟比較和數(shù)值模擬分析可以看出：

（1）房柱法在生產(chǎn)能力上要略占優(yōu)勢，但回采可能會誘發(fā)運輸、排水坑道的變形，導致透水事故發(fā)生，不適宜在開采中使用。

（2）下向進路式分層膠結(jié)充填法雖然成本要高，但是開采中的安全性能得到充分保障，回采的礦石資源多，創(chuàng)造的經(jīng)濟價值大（比房柱法多獲得利潤總額約5 408萬元），符合“安全、高效、低成本、低貧損”的資源開發(fā)理念。因此，本次設(shè)計選擇下向進路式分層膠結(jié)充填法作為30-14礦體的采礦方法。

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Numerical Simulation on the Mining Technology for Deep Loose Ore Body

XU Peiliang1,WANG Jianguo2,SHI Fei3,ZHOU Shanshan1,YANG Deyuan4,HE Jin2
(1.Datun tin ore,Yunnan Tin Co.,Ltd.,Gejiu 661000,Yunnan,China;2.College of Civil and Architectural Engineering,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,Yunnan,China;3.Kunming Kansheng Mining Co.,Ltd.,Kunming 650100,Yunnan,China;4.Dahongshan Iron Mine Bureau,Kunming Ironamp;Steel Group Corporation,Xinping 653100,Yunnan,China)

The 30-14 ore body under 1 360 middle section of Songshujiao mine is characteristics of loose,broken and large water content,which makes it difficult to be exploited.The method of downward direction layered cementing and filling mining technology is put forward to meet the requirements of deep safety and economic reasonable mining,after analyzing the stability of the mining field through on-site exploration and technical economic comparison.The new technology is more profitable and secure than the room pillar method.The results of this study have accumulated experience for similar ore mining,and have practical guiding significance for mine production and construction and deepresource developmentandutilization.

deep mining;loose ore body;method of downward direction layered cementing and filling mining technology;economic indicators;safety factor

TD862

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.007

2017-08-18

云南省科技廳基礎(chǔ)研究青年項目（2016FD029）；云南省教育廳科學研究基金項目（2016ZZX108）

徐培良（1985-），男，云南雙柏人，碩士，工程師，主要從事地下工程和采礦技術(shù)方面的研究工作。

王建國（1987-），男，河南信陽人，博士，副教授，主要從事工程爆破和巖石動力學方面的研究工作。

（編輯：游航英）