分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法集約化開采順序優(yōu)化研究

任衛(wèi)東 范玉乾

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410019）

采礦方法是礦山安全生產(chǎn)的核心，采礦方法的選擇直接決定了礦山生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的效益及安全?，F(xiàn)階段隨著國(guó)家政策的支持及礦山自我認(rèn)識(shí)的提高，我國(guó)地下礦山采用充填法的比例逐漸提升。地下采礦對(duì)礦體的開挖過(guò)程其實(shí)就是地應(yīng)力的釋放過(guò)程［1-2］，開挖巖體應(yīng)力的釋放使巖體應(yīng)力進(jìn)行了重新調(diào)整和分配，而充填方法的使用又使應(yīng)力重新發(fā)生了變化，不同的采礦、充填過(guò)程即形成了不同的開采順序，開采范圍內(nèi)的礦巖介質(zhì)也就有了不同的變化過(guò)程，對(duì)未開采區(qū)域以及已充填的區(qū)域，就有不同的加載和卸載路徑［3-4］，即存在不同的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化。本項(xiàng)目通過(guò)采用數(shù)值模擬軟件，依據(jù)摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，通過(guò)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的前提下對(duì)擬定的不同開采順序進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同開采順序采場(chǎng)的應(yīng)力及位移的變化情況，從而能選擇適合礦山的開采順序，為礦山實(shí)現(xiàn)集約化、規(guī)?；_采提供依據(jù)，對(duì)礦山的安全、高效、經(jīng)濟(jì)的回采有至關(guān)重要的意義，也為類似礦山的開采提供了借鑒。

1 工程概況

某礦床成因類型屬接觸交代高中溫?zé)嵋盒偷V床，礦體以銅鐵礦石（矽卡巖）為主，礦體內(nèi)夾石主要為大理巖，次為矽卡巖。頂、底盤圍巖隨礦體賦存部位不同而不同。礦體與大理巖的接觸帶部位的巖體強(qiáng)度相對(duì)較低，但接觸影響寬度較小，而且結(jié)合比較緊密。礦體與花崗閃長(zhǎng)斑巖的接觸帶條件較惡劣，巖體破碎，容易水解，穩(wěn)定性最差。

礦山采用豎井開拓，有軌運(yùn)輸。礦山現(xiàn)階段主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畹牟傻V方法，其中：采場(chǎng)垂直礦體走向布置，長(zhǎng)度為礦體水平厚度，中段厚度50 m，分段高度12.5 m。留頂柱和底柱，頂柱高5 m，底柱高8 m。在底柱內(nèi)布置出礦進(jìn)路，采用鏟運(yùn)機(jī)平底出礦底部結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬采用數(shù)值軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格化劃分及后處理計(jì)算［5］。為方便建模和數(shù)值模擬計(jì)算，建模前做以下的假設(shè)［6］：①礦體和圍巖為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，不考慮裂隙、節(jié)理和斷層的影響；②忽略井巷工程對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響；③只考慮重力對(duì)模型的影響，不考慮爆破振動(dòng)、地震波及地下水的影響。

礦體主要為大理巖、灰?guī)r等巖石組成，因此適用摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

在分析時(shí)，首先進(jìn)行礦床開采前的初始應(yīng)力場(chǎng)［7-10］分析，最終開挖引起的位移和應(yīng)力為各階段步驟（各分步）引起的位移ui（i=1，…，n）與應(yīng)力σi（i=1，…，n）之和，即：

式中，{σ0｝為初始地應(yīng)力。顯然位移結(jié)果中不包括原巖應(yīng)力狀態(tài)下的位移值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算采用的材料參數(shù)見表1。

為研究不同中段回采順序?qū)Σ蓤?chǎng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)-270 m、-320 m、-370 m、-420 m4個(gè)中段的回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬，共設(shè)計(jì)了2種回采方案：方案1（M-1）：從上向下回采和方案2（M-2）：從下向上回采。幾何模型見圖1所示。

方案1、方案2模擬步驟如表2所示。

2.2 模擬結(jié)果分析

在采場(chǎng)回采順序一致的條件下進(jìn)行中段開采順序的比較，計(jì)算結(jié)果從最大主應(yīng)力、垂直位移2個(gè)方面進(jìn)行分析，以此對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性提供定量依據(jù)。

2.2.1 應(yīng)力分布狀態(tài)的分析與比較

應(yīng)力分布中，上盤巖體最大主應(yīng)力和頂板主應(yīng)力最為重要，因其對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響最大。

由表3、表4和圖2～圖5可知，對(duì)于采場(chǎng)頂板而言，在-270 m中段回采時(shí)，兩方案采場(chǎng)頂板的主應(yīng)力和集中應(yīng)力差別不大；在-320 m、-370 m、-420 m中段回采時(shí)，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均較小，頂板最大主應(yīng)力分別為4.60 MPa、5.17 MPa、5.96 MPa，均未超過(guò)礦體最大抗拉強(qiáng)度6 MPa，且拉應(yīng)力區(qū)面積也?。欢捎脧南轮辽系闹卸位夭身樞颍ǚ桨?）時(shí)，在-320 m、-370 m、-420 m中段回采時(shí)，采場(chǎng)頂柱最大主應(yīng)力分別為5.49 MPa、6.19 MPa（超過(guò)礦體最大抗拉強(qiáng)度6 MPa）、8.02 MPa（超過(guò)礦體最大抗拉強(qiáng)度6 MPa），且方案1較方案2分別小19.4%、19.7%、34.6%。需要注意的是：在采場(chǎng)兩側(cè)的端角處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中，而且最大主應(yīng)力都是拉應(yīng)力，過(guò)大的拉應(yīng)力是造成頂柱垮塌的重要原因，方案2應(yīng)力集中現(xiàn)象比方案1明顯，且方案2在回采-370 m、-420 m中段時(shí)，頂板最大拉應(yīng)力已超過(guò)礦體的最大抗拉強(qiáng)度，相比之下，方案1較優(yōu)。對(duì)于采場(chǎng)上盤而言，在-270 m、-320 m、-370 m中段回采時(shí)，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力相對(duì)較小，尤其是頂板最大主應(yīng)力，其大小分別為0.184 MPa、0.188 MPa、0.192 MPa；而采用從下至上的中段回采順序（方案2）時(shí)，采場(chǎng)頂柱最大主應(yīng)力分別為0.628 MPa、0.615 MPa、0.552 MPa，且方案1較方案2分別小241%、227%、188%。而在-420 m中段回采時(shí)，由于-420 m中段是方案2的首采中段，上盤最大主應(yīng)力相對(duì)方案1小，而中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力仍然比方案1大，總的來(lái)說(shuō)，方案1較優(yōu)。

注:表中壓應(yīng)力為“-”，拉應(yīng)力為“+”；垂直位移為“-”，表示沿Y軸負(fù)方向，反之為“+”。

2.2.2 位移分布狀態(tài)的比較

由表3、表4和圖6～圖9可知，對(duì)于采場(chǎng)頂板而言，在-270 m、-320 m、-370 m、-420 m4個(gè)中段回采時(shí)，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大垂直位移均較小，分別為-44.81 mm、-36.26 mm、-28.76 mm、-21.75 mm，而采用從下至上的中段回采順序（方案2）時(shí)頂板最大垂直位移分別為-48.81 mm、-41.18 mm、-34.47 mm、-26.98 mm，方案1較方案2分別小8.9%、13.6%、19.9%、24%；對(duì)于采場(chǎng)上盤而言，同樣，方案1的上盤最大垂直位移也均比方案2小。很明顯，由頂板和上盤的最大垂直位移的比較，方案1優(yōu)于方案2。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目結(jié)合某礦山所采用的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄋ捎玫牟蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，擬定了2種回采順序，通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)2個(gè)方案模型的應(yīng)力、位移等分析可知，采取從上向下的中段回采順序，各中段均處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)安全高效開采非常有利；相反，若采取從下向上的中段回采順序，在開采初期，采場(chǎng)受力狀態(tài)較差，由于處于高應(yīng)力狀態(tài)，頂板較易產(chǎn)生冒落，甚至于發(fā)生巖崩，從而危及采場(chǎng)回采安全。故宜采取從上向下的中段回采順序。由于不同礦山礦巖類型和采用的采礦方法不一樣，因此本項(xiàng)目得出的結(jié)果也并不一定適合其他礦山，但通過(guò)建立礦體幾何模型，通過(guò)數(shù)值模擬手段比較直觀地模擬回采過(guò)程及采場(chǎng)應(yīng)力及位移的變化，可為類似礦山提供借鑒。