哈圖金礦盤(pán)區(qū)機(jī)械化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究

郭 旗，張 寶，顧生春，李志軍，吳亞飛

哈圖金礦盤(pán)區(qū)機(jī)械化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究

郭 旗1，張 寶2，顧生春1，李志軍1，吳亞飛1

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834025；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取過(guò)程本質(zhì)上是安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)的權(quán)衡統(tǒng)一過(guò)程。根據(jù)哈圖金礦盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向水平分層充填法工藝特點(diǎn)及礦體賦存條件，編排對(duì)比方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析，最后選取采場(chǎng)最大控頂高度為3 m，盤(pán)區(qū)內(nèi)中間采場(chǎng)超前3分層回采，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時(shí)，推薦采場(chǎng)長(zhǎng)度為50 m；當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時(shí)，推薦采場(chǎng)長(zhǎng)度為40 m。

盤(pán)區(qū)機(jī)械化;上向水平分層充填法;采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);數(shù)值模擬

0 引 言

哈圖金礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為1000 t/d，即年產(chǎn)礦石33 萬(wàn)t。采用豎井開(kāi)拓?，F(xiàn)有3個(gè)采區(qū)：400 m采區(qū)已經(jīng)結(jié)束開(kāi)采，600 m采區(qū)正在采用上向水平分層充填法開(kāi)采礦柱，千米井深部區(qū)域采用電耙出礦上向水平分層充填法開(kāi)采。千米井礦區(qū)主要開(kāi)采27-8，27-14，27-17礦脈，礦體屬急傾斜中厚中等穩(wěn)固礦體，傾角為60°~70°。經(jīng)采礦技改后，采用盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采。

該方法采場(chǎng)可沿礦體走向布置也可垂直礦體走向布置，但哈圖金礦一般為中厚礦體，最為適宜的還是沿礦體走向布置采場(chǎng)，只有在礦體較為厚大或特殊情況下用垂直礦體走向布置采場(chǎng)。因此井下主要采用沿礦體走向布置采場(chǎng)，采場(chǎng)長(zhǎng)度為40～60 m，采場(chǎng)寬度為4~6 m，采場(chǎng)高度為中段高度50 m。該采礦方法不留頂柱和底柱，也不留間柱。

采礦工藝改變后，選取合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)就非常關(guān)鍵。合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅是保證安全開(kāi)采的必要條件，同時(shí)也對(duì)開(kāi)采綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要影響。

目前用來(lái)確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法主要有經(jīng)驗(yàn)類比法和數(shù)值模擬法。前者因帶有一定的主觀性，缺少理論數(shù)據(jù)支撐，得出的結(jié)論令人難以信服；后者能通過(guò)定量的計(jì)算、分析、比較進(jìn)行仿真模擬，同樣可以確定合理的開(kāi)采方法、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開(kāi)采順序，其中，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬已經(jīng)成為模擬分析地下開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題的有效方法。本文采用此方法進(jìn)行哈圖金礦盤(pán)區(qū)機(jī)械化采場(chǎng)采礦決策科學(xué)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化的模擬。

1 數(shù)值模擬方案與破壞判據(jù)

1.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)盤(pán)區(qū)機(jī)械化上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填法回采工藝特點(diǎn)，為盡可能模擬礦體“采?充”循環(huán)向上發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變疊加演變，每個(gè)采場(chǎng)最少進(jìn)行4次“采?充”循環(huán)模擬計(jì)算。為了簡(jiǎn)化模擬方案，模擬只對(duì)3個(gè)采場(chǎng)（作為一個(gè)回采盤(pán)區(qū)）超前回采順序和超前高度進(jìn)行分析。

另外，設(shè)計(jì)采場(chǎng)拉底層高度為2 m，最大控頂高度為3 m時(shí)，分層高度為2 m，最大控頂高度為3.5 m和4 m時(shí)，分層高度為2.5 m。4次“采?充”循環(huán)有10~12 m垂直開(kāi)采高度。自下向上最少劃分為5個(gè)分層。最下面兩個(gè)分層為拉底層和1分層，主要用于模擬采場(chǎng)拉底和分層充填，其余3，4，5分層模擬正常開(kāi)挖及充填。

針對(duì)不同研究?jī)?nèi)容，數(shù)值模擬方案的編排和數(shù)值模擬步驟如表1所示。

1.2 本構(gòu)模型及巖體力學(xué)參數(shù)

井下采場(chǎng)回采模擬分析涉及到圍巖體、礦體和尾砂膠結(jié)充填體，這些介質(zhì)均屬?gòu)椝苄圆牧?，適用于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則分析研究，故采用摩爾?庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)確定礦體開(kāi)挖后，采場(chǎng)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律，獲得優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的巖體力學(xué) 依據(jù)。

RocLab是一款依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)或原位三軸及直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算巖土體強(qiáng)度參數(shù)的軟件。本次模擬基于上述原理，借助軟件對(duì)各巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合平均折減處理，從而得到本次數(shù)值模擬所需的礦巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 數(shù)值模擬方案與步驟

考慮到巖石力學(xué)試驗(yàn)成果的離散型，首先對(duì)各單位的巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行綜合分析平均處理，然后采用巖體強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算軟件對(duì)各單位的相應(yīng)類型巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減處理。

基于礦山開(kāi)采整體穩(wěn)定性分析，依據(jù)礦山巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，綜合各成果并根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的體積模量和剪切模量，將折減成果及計(jì)算結(jié)果匯總后即得到本次數(shù)值模擬與材料屬性相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)值模擬礦巖體具體物理力學(xué)參數(shù)匯總見(jiàn)表2。

表2 修正后的礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬結(jié)果

2.1 采場(chǎng)最大控頂高度

在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，3個(gè)采場(chǎng)同步向上發(fā)展，應(yīng)力隨著控頂高度的增加而增大，頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場(chǎng)頂板及上盤(pán)中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場(chǎng)頂板及其與下盤(pán)接觸位置，如表3所示。

M1的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移和剪切破壞塑性區(qū)體積小于M2和M3，因此，推薦選取最大控頂高度為3 m，開(kāi)采分層高度為2 m，此時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定性狀況整體比較好。

2.2 采場(chǎng)間超前回采高度

通過(guò)對(duì)M4、M5、M6“開(kāi)挖?充填”循環(huán)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個(gè)連續(xù)采場(chǎng)同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力數(shù)值大小隨著超前回采分層數(shù)的增加而降低，在采場(chǎng)開(kāi)挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在頂板及上盤(pán)中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場(chǎng)頂板及其與下盤(pán)接觸位置，如表4所示。

表3 M1、M2、M3的塑性區(qū)分布

表4 模型M4、M5、M6的塑性區(qū)分布

M5和M6的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移小于M4的，且M5和M6的剪切破壞塑性區(qū)體積相差不大，而與模型4相比均要小得多。因此，推薦最優(yōu)超前回采分層數(shù)為3個(gè)分層，這樣既能保證采場(chǎng)生產(chǎn)能力，且采場(chǎng)整體穩(wěn)定性狀況也比較好。

2.3 4 m厚礦體采場(chǎng)長(zhǎng)度

根據(jù)M7、M8、M9“開(kāi)挖?充填”循環(huán)的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個(gè)連續(xù)采場(chǎng)同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力數(shù)值大小隨著采場(chǎng)長(zhǎng)度的增加而增加，在采場(chǎng)開(kāi)挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場(chǎng)頂板及上盤(pán)中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場(chǎng)頂板及其與下盤(pán)接觸位置，如表5所示。

表5 模型M7、M8、M9的塑性區(qū)分布

從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及豎向位移來(lái)看，3個(gè)模型模擬結(jié)果相差不算太大，但從塑性區(qū)分布情況對(duì)比分析，可知M9塑性破壞區(qū)域體積大大超過(guò)了M7和M8的塑性破壞區(qū)域體積，結(jié)合井下生產(chǎn)能力要求，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時(shí)，推薦最優(yōu)采場(chǎng)長(zhǎng)度為50 m，這樣既能有效保證采場(chǎng)生產(chǎn)能力，也能保證采場(chǎng)整體穩(wěn)定性。

2.4 8 m厚礦體采場(chǎng)長(zhǎng)度

根據(jù)上節(jié)4 m厚礦體模擬分析結(jié)果（見(jiàn)圖1），可以發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng)頂板及上下盤(pán)出現(xiàn)了貫通性的塑性破壞區(qū)，采場(chǎng)開(kāi)采寬度應(yīng)盡量控制在4 m以下。因此，當(dāng)?shù)V體水平厚度小于4 m時(shí)，采場(chǎng)寬度為礦體水平厚度；當(dāng)?shù)V體厚度大于4 m時(shí)，應(yīng)分兩步驟進(jìn)行開(kāi)采，每個(gè)步驟進(jìn)路寬度不大于4 m為宜。

圖1 M7塑性區(qū)垂直走向分布特征

通過(guò)對(duì)M10、M11、M12兩步驟“開(kāi)挖-充填”循環(huán)下最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分布特征的分析，發(fā)現(xiàn)沿走向布置的3個(gè)連續(xù)采場(chǎng)同步向上發(fā)展，最大應(yīng)力在采場(chǎng)開(kāi)挖區(qū)域頂板中央及邊角處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場(chǎng)開(kāi)挖區(qū)域的頂板及上盤(pán)中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區(qū)域主要集中在采場(chǎng)頂板及其與下盤(pán)接觸位置，如表6所示。

表6 M10、M11、M12的塑性區(qū)分布

綜合礦山地質(zhì)情況、開(kāi)采現(xiàn)狀、生產(chǎn)能力要求及數(shù)值模擬分析結(jié)果，當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時(shí)，推薦最優(yōu)采場(chǎng)長(zhǎng)度為40 m。

3 結(jié) 論

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取過(guò)程本質(zhì)上是安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)的權(quán)衡統(tǒng)一過(guò)程。

（1）采場(chǎng)最大控頂高度?？紤]到井下工人在采場(chǎng)內(nèi)作業(yè)，高空區(qū)支護(hù)非常不便，勢(shì)必給采場(chǎng)安全生產(chǎn)造成威脅，使采出礦效率降低。因此，采場(chǎng)最大控頂高度不宜太大，確定采場(chǎng)最大控頂高度 3 m為宜。

（2）中間采場(chǎng)超前回采層數(shù)。超前回采與不超前回采相比，采場(chǎng)穩(wěn)定性有一定的提高。超前回采一定程度上起到了分隔相鄰連續(xù)回采采場(chǎng)的作用。另外，中間采場(chǎng)超前3個(gè)分層回采，采場(chǎng)相互獨(dú)立作業(yè)，生產(chǎn)互不影響，能有效提高生產(chǎn)效率。

（3）采場(chǎng)暴露面積。綜合安全生產(chǎn)及高效生產(chǎn)的各項(xiàng)要求，當(dāng)?shù)V體厚度為4 m時(shí)，推薦采場(chǎng)長(zhǎng)度為50 m；當(dāng)?shù)V體厚度為8 m時(shí)，推薦采場(chǎng)長(zhǎng)度為40 m。

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(2019-09-02)

郭 旗(1971—)，男，新疆福海人，采礦工程師，主要從事采礦技術(shù)和安全方面的管理工作，Email: 1125649- 219@qq.com。