“三軟”條件下金礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

陳 暉，王 騰，馬振乾,，池恩安,，趙明生,，陳安民

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550002；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

“三軟”礦體是指在開采過程中礦體的頂板、底板以及礦層都為軟巖；一般情況下，具有“三軟”特性的礦體在開采過程中極容易發(fā)生頂板冒落或坍塌事故，“三軟”礦體是難采礦體[1-2]的典型。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，它不僅與礦體的賦存條件、礦巖力學(xué)特性、采場(chǎng)暴露面積以及開采方法、頂板支護(hù)管理等采礦地質(zhì)條件有關(guān)，而且與上覆巖層載荷、類型等密切相關(guān)。這些影響因素難以量化分析，導(dǎo)致采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究工作困難重重。地下采場(chǎng)主要由頂板與礦柱組成，一旦頂板、礦柱處于失穩(wěn)狀態(tài)或發(fā)生破壞，就會(huì)給采場(chǎng)造成嚴(yán)重的災(zāi)害。因此,研究采場(chǎng)的穩(wěn)定性主要是分析采場(chǎng)中頂板、礦柱的穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)此類問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作[3-9]，取得了不錯(cuò)的效果。BUTT等[10]針對(duì)復(fù)雜采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的研究難題，以巖石梁理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析了該條件下采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，為采場(chǎng)的生產(chǎn)管理及地壓控制提供理論參考；趙伏軍等[11]采用薄板理論，以進(jìn)路式采礦法回采礦柱為研究對(duì)象，計(jì)算分析采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，確定了采場(chǎng)頂板的主要危險(xiǎn)位置，并提出了合理的支護(hù)措施；徐文彬等[12]針對(duì)和睦山鐵礦采場(chǎng)礦柱的穩(wěn)定性研究問題，綜合普氏拱理論、結(jié)構(gòu)梁理論以及厚跨比法，分析了該采礦方法下采場(chǎng)失穩(wěn)破壞變化規(guī)律，并討論了19#礦房發(fā)生垮塌的原因;徐東強(qiáng)等[13]將塊體理論應(yīng)用于采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性研究，為回采方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文在分析貴州某金礦工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，開展采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，不僅可以有效解決金礦目前開采過程中的困難，而且可以在保證安全的前提下提高資源回采率，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的有效平衡。研究結(jié)果對(duì)金礦實(shí)現(xiàn)開采安全保障和有效提高經(jīng)濟(jì)效益，以及礦山企業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，還可以為類似“三軟”條件下金礦的采礦設(shè)計(jì)及理論分析提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

貴州某黃金礦山位于黔西南山區(qū)，地處貞豐、冊(cè)亨、望謨?nèi)h交界處的北盤江西側(cè)，井田面積達(dá)1.284 3 km2。礦體頂板以砂巖、黏土巖為主，其中黏土巖的巖體質(zhì)量屬于Ⅳ～Ⅴ類，松散、比較破碎，質(zhì)量屬于壞～差，遇水易軟化，易導(dǎo)致采場(chǎng)垮塌，開挖后基本沒有自穩(wěn)定能力；砂巖則相對(duì)較好，巖體質(zhì)量屬于Ⅲ～Ⅳ類，屬于差～中等，穩(wěn)定性一般。礦體位于砂巖-黏土巖的斷裂破碎帶中，與破碎的圍巖基本相同，甚至比圍巖更為松散破碎，在地下采礦過程中極易發(fā)生冒頂事故，因此該金礦礦體屬于典型的“三軟”難采礦體。

目前，礦山采用的是上向水平分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，該方法能夠保證在破碎礦巖中開采的安全，但是在應(yīng)用過程中會(huì)遇到以下主要問題：①回采巷支護(hù)過度，導(dǎo)致采礦成本比較高，礦山經(jīng)濟(jì)效益低下；②上向開采時(shí)，采場(chǎng)充填接頂困難，頂板與充填體接觸不完整，上一分層開采時(shí)危險(xiǎn)性高；③每次開采后，都需要進(jìn)行錨噴聯(lián)合支護(hù)，采礦工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，采場(chǎng)生產(chǎn)能力??；④進(jìn)路式開采是獨(dú)頭巷道掘進(jìn)，存在采場(chǎng)通風(fēng)條件差等問題。

為了解決上述問題，構(gòu)建了基于未確知測(cè)度理論的采礦方法優(yōu)選模型，結(jié)合數(shù)值計(jì)算，最終確定采用下向中深孔落礦嗣后充填法進(jìn)行開采，如圖1所示，該方法可以有效解決目前開采過程中遇到的問題，擴(kuò)大礦山生產(chǎn)能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 采礦方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining method

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是采礦設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法難以考慮眾多的定量與定性因素，導(dǎo)致選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)往往比較保守，造成資源浪費(fèi)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，將其應(yīng)用于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，取得了良好的效果。本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)下向中深孔落礦嗣后充填法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，以期得出最合理的參數(shù)。

2.1 數(shù)值模型

建立合理的礦體力學(xué)模型是后續(xù)數(shù)值模擬的關(guān)鍵，考慮邊界效應(yīng)，所建模型是采場(chǎng)大小的3倍，礦體沿走向長(zhǎng)310 m，模型直達(dá)地表，礦層厚度7.05 m，傾角約為 37°。根據(jù)礦體賦存條件建立礦層和圍巖的數(shù)值模型，頂?shù)装逡员≈林泻駥由皫r與薄層黏土巖為主，模型上部為地表，邊界約束模型底部限制垂直與水平移動(dòng)，上部巖層的載荷為巖層自重力，4個(gè)側(cè)面上的側(cè)壓系數(shù)由程序按泊松比自動(dòng)計(jì)算出來。對(duì)于主要研究對(duì)象采用高精度單元離散模型網(wǎng)格化，為了提高單元體的連續(xù)性和時(shí)效性，距離礦體較遠(yuǎn)的圍巖采用精度較低的單元體。開挖前，整個(gè)模型共有單元31 200個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)35 879個(gè)。模型初始單元網(wǎng)格見圖2。

根據(jù)該金礦的工程地質(zhì)條件以及礦體賦存條件， 礦體屬于微細(xì)粒浸染型礦床， 礦體的頂板、底板與礦層區(qū)別并不明顯，因此現(xiàn)場(chǎng)選取能代表礦巖特征的巖石試件，開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。礦床開采過程中，采空區(qū)上方巖石應(yīng)力狀態(tài)由三向受壓轉(zhuǎn)為單向拉應(yīng)力狀態(tài)，巖石內(nèi)部裂隙因采礦活動(dòng)貫通，形成巖體薄弱面，更加容易破壞。巖體參數(shù)工程化處理主要方法有彈性波法、M.Georgi法、系數(shù)換算法等，本文應(yīng)用常用的巖石力學(xué)參數(shù)工程化彈性波法，得到合理的巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算所用參數(shù)。彈性模量取巖石的1/3，充填體的力學(xué)參數(shù)參照類似礦山，最終得出數(shù)值模型中巖石物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

表1 巖體力學(xué)和充填體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Results of rock mechanics and filling parameters

2.2 模擬方案

根據(jù)礦體特征以及礦山目前生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用下向中深孔落礦嗣后充填法時(shí)，采場(chǎng)沿走向布置長(zhǎng)度為100 m。在既定的采場(chǎng)長(zhǎng)度下，影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素是采場(chǎng)寬度、高度的大小。結(jié)合中深孔爆破的特點(diǎn)和同類礦山生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等，初步選定采場(chǎng)寬度在4～5 m范圍內(nèi)，高度在13～15 m范圍內(nèi)，采場(chǎng)長(zhǎng)度為100 m。

2.3 模擬結(jié)果分析

由圖3可知，頂板最大位移2.62 mm，小于頂板容許極限下沉量40 mm；最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，分別為5.49 MPa、1.95 MPa，小于巖體的抗壓強(qiáng)度為18.19 MPa；采場(chǎng)頂板出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，未顯示發(fā)生拉伸破壞。 由此可知，在既定條件下采場(chǎng)是穩(wěn)定的。 由圖4可知，頂板最大位移12.62 mm，小于頂板容許極限下沉量40 mm；頂板出現(xiàn)了拉應(yīng)力3.32 MPa，大于巖體的抗拉強(qiáng)度，頂板發(fā)生拉伸破壞；采場(chǎng)頂板出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，顯示發(fā)生拉伸破壞。故該結(jié)構(gòu)參數(shù)不能滿足采場(chǎng)穩(wěn)定性要求。

其他方案的模擬結(jié)果和采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估見表2。考慮到金礦石屬于高價(jià)值產(chǎn)品，在開采過程中應(yīng)盡量減少資源浪費(fèi)，提高回采率。通過數(shù)值模擬分析，在采用下向中深孔落礦嗣后充填法時(shí)，較為合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：采場(chǎng)寬度為4.5 m、高度為15 m或?qū)挾葹? m、高度為13 m，采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)度為100 m。

3 采場(chǎng)生產(chǎn)能力驗(yàn)證

確定了采礦方法和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，還必須進(jìn)行生產(chǎn)能力的驗(yàn)證，計(jì)算公式見式(1)。

A1=330nNKq=

330×2×2×0.8×450=475 200 t/a

(1)

式中：A1為采場(chǎng)生產(chǎn)能力，t/a；n為同時(shí)生產(chǎn)中段數(shù)， 取2個(gè)；N為采場(chǎng)布置個(gè)數(shù)，取2個(gè)；K為采場(chǎng)利用系數(shù)，取0.8；q為采場(chǎng)出礦能力，取450 t/d。

圖3 采場(chǎng)寬4 m、高15 m的模擬結(jié)果Fig.3 The simulation results of stope width 4 meters and height 15 meters

圖4 采場(chǎng)寬4 m、高17 m的模擬結(jié)果Fig.4 The simulation results of stope width 4 meters and height 17 meters

表2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案及結(jié)果Table 2 The simulation scheme and results of stope structural parameters

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，采場(chǎng)生產(chǎn)能力完全可以滿足達(dá)產(chǎn)后20萬t/a的目標(biāo)。

4 充填能力驗(yàn)證

采用下向中深孔落礦嗣后充填法開采需要對(duì)礦山充填能力進(jìn)行驗(yàn)證。 礦山日需平均充填量計(jì)算見式(2)。

(2)

式中：Qd為日平均充填量，m3/d；Ad為礦山充填法日產(chǎn)量，t/d；γk為礦石密度，t/m3；Z為采充比，取0.9；K1為充填體沉縮率，取1.05～1.20；K2為流失系數(shù)，取1.02～1.05。

日需充填能力計(jì)算見式(3)。

Qr=KQd=1.1×1 028=1 130 m3/d

(3)

式中：Qr為日充填能力，m3/d；K為充填作業(yè)不均衡系數(shù)，取1.1～1.5。

小時(shí)充填能力計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：Qh為小時(shí)充填能力，m3/h；h為每天工作時(shí)間，取12。

礦山充填站單套充填能力為80～100 m3/h，可以滿足地下采場(chǎng)充填的需求。

5 結(jié) 論

1) “三軟”條件下金礦采用上向水平分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，存在采礦工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，采場(chǎng)生產(chǎn)能力小；采礦成本較高，礦山經(jīng)濟(jì)效益低；采場(chǎng)充填接頂困難、通風(fēng)條件差等問題。通過構(gòu)建基于未確知測(cè)度理論的采礦方法優(yōu)選模型，最終確定采用下向中深孔落礦嗣后充填法進(jìn)行開采，可以有效解決目前開采遇到的問題。

2) 采用FLAC3D軟件開展采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，從采場(chǎng)頂板下沉、應(yīng)力分布、塑性區(qū)范圍等方面綜合評(píng)估采場(chǎng)穩(wěn)定性，得出采場(chǎng)結(jié)構(gòu)合理的參數(shù)為采場(chǎng)寬4.5 m、高15 m或?qū)? m、高13 m，采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)度為100 m。

3) 通過采場(chǎng)生產(chǎn)能力和充填能力驗(yàn)證了選用的采礦方法和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全可以滿足礦山需求，對(duì)“三軟”條件下金礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化選取具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。