銅礦峪銅礦拉底方式優(yōu)化研究

夏長念， 段文權(quán)， 范文錄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是一種在自重和地應(yīng)力的作用下形成持續(xù)崩落的采礦方法，一旦底部拉底形成后，上部礦巖不需要強(qiáng)制爆破即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)崩落，因而極大地簡化了生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，是一種在生產(chǎn)成本上唯一能和露天開采相媲美的安全、高效、節(jié)能的地下采礦方法[1-2]，也是當(dāng)前國際上特厚大礦體的首選采礦方法。20世紀(jì)80年代末，中條山有色金屬公司為了開采銅礦峪銅礦這一國內(nèi)Cu品位0.5%～0.6%特大型貧礦資源，引進(jìn)了電耙出礦自然崩落法技術(shù)，并由多家設(shè)計(jì)研究單位和高校共同攻關(guān)，在90年代初實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。但是隨著生產(chǎn)中段向下延伸，原巖應(yīng)力大幅度增加，從而導(dǎo)致自然崩落法生產(chǎn)中底部結(jié)構(gòu)工程破壞嚴(yán)重、安全條件差、成本升高等，嚴(yán)重影響產(chǎn)量的提升和礦山的發(fā)展。為減少拉底過程中的應(yīng)力集中，保證底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在二期工程設(shè)計(jì)中對(duì)拉底方式進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化研究。

2 礦山概況

銅礦峪銅礦位于山西省垣曲縣境內(nèi)，屬于大型斑巖銅礦，4#和5#礦體是銅礦峪礦床的主要礦體，占總儲(chǔ)量的90%以上。兩個(gè)礦體在平面上為巨大透鏡狀，沿傾斜為似板狀。礦體主要賦存于變質(zhì)火山雜巖體內(nèi)，其產(chǎn)狀與圍巖基本一致，傾向北西，傾角40°～60°；兩礦體在空間上平行展布，其間距比較穩(wěn)定，多為110～130m。含礦雜巖體賦存于銅礦峪變質(zhì)火山巖組中的絹云母石英片巖層中。

銅礦峪銅礦自1989年開始拉底以來，一直采用自然崩落法開采；一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為400萬t/a，于2000年達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模。二期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為600萬t/a，共包含530m和410m兩個(gè)中段[3]，于2013年達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模。隨著近幾年的持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，530m中段的礦量持續(xù)減少，為保證礦山的產(chǎn)量的穩(wěn)定過渡，當(dāng)前正在進(jìn)行新中段的設(shè)計(jì)工作。

3 拉底方式簡介

3.1 后拉底

這種方式是先進(jìn)行出礦水平的工作，即出礦巷道、出礦點(diǎn)、聚礦槽(道)形成以后，再進(jìn)行上面的拉底工作。后拉底在早期的自然崩落法礦山大量使用，其優(yōu)點(diǎn)是礦塊可以更快地投入生產(chǎn)，在拉底水平不需安排專門為拉底用的溜井等倒運(yùn)措施，礦石在拉底水平壓實(shí)的可能性非常??；其缺點(diǎn)是在拉底水平和出礦水平之間的巖體需處于高應(yīng)力和多變化的應(yīng)力狀態(tài)，支護(hù)和加固必須在拉底集中應(yīng)力帶形成前完成。銅礦峪銅礦二期工程最初就是后拉底方式。

3.2 預(yù)拉底

拉底工作在出礦水平開始之前完成，即拉底工作全部完成以后再進(jìn)行出礦水平開拓，或出礦水平掘進(jìn)工作面滯后拉底工作面一段距離進(jìn)行。該拉底方式的優(yōu)點(diǎn)是出礦水平開拓在應(yīng)力釋放環(huán)境中進(jìn)行，拉底是獨(dú)立于出礦水平進(jìn)行的，出礦水平的支護(hù)要求低于后拉底方式。其缺點(diǎn)是由于下部的聚礦槽等沒有形成，拉底需要有單獨(dú)的礦石處理工程；需要從出礦水平來掘進(jìn)聚礦槽到上部的破碎巖石中，安全性差；破碎的礦石可能壓實(shí)放礦點(diǎn)，造成堵塞。這些因素往往使初始生產(chǎn)進(jìn)展緩慢。

3.3 前進(jìn)式拉底

該拉底方式的拉底鑿巖爆破是在部分開拓好的出礦水平之上進(jìn)行的。出礦水平部分開拓好的工程可以僅僅是出礦巷道，也可以是出礦巷道加出礦點(diǎn)。聚礦槽則始終是在拉底以后的應(yīng)力釋放區(qū)進(jìn)行。這種方式實(shí)質(zhì)上是后拉底和預(yù)拉底之間的折衷方案。其優(yōu)點(diǎn)：與后拉底相比，出礦水平破壞少；和預(yù)拉底相比，崩落能更快地投入生產(chǎn)，減少了拓時(shí)間；由于礦堆壓實(shí)而形成誘導(dǎo)應(yīng)力殘余的可能性小；雖然仍需要為拉底增加礦石轉(zhuǎn)運(yùn)的工程，但比后拉底增量較少。

4 數(shù)值模擬分析

銅礦峪銅礦在二期工程拉底中由于對(duì)應(yīng)力集中重視不足，導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了大面積的破壞，局部甚至出現(xiàn)桃形礦柱體的整體坍塌，給礦山修復(fù)工作帶來了極大困難。因此，根據(jù)當(dāng)前國際上幾種主要的拉底方式特點(diǎn)，結(jié)合銅礦峪銅礦對(duì)拉底速度的實(shí)際需求，研究提出采用前進(jìn)式拉底方式替代后拉低方式，并對(duì)兩種方式拉底過程中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。

4.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬主要研究自然崩落法底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，采用FLAC3D軟件建立了數(shù)值模型，其走向長450m，垂直走向長300m，高度200m。出礦水平和拉底水平間距10m，拉底高度15m；出礦穿脈間距30m，出礦進(jìn)路采用“人”字形布置，間距15m；出礦進(jìn)路斷面為3.6m×3.4m，拉底巷道斷面為3.4m×3.4m，聚礦槽上底為14m×10m，下底為14m×3.6m，高10m。整體模型如圖1所示。

圖1 整體模型

4.2 模型的輸入?yún)?shù)

1)原巖應(yīng)力

根據(jù)礦區(qū)原巖應(yīng)力的測試結(jié)果：銅礦峪銅礦區(qū)最大主應(yīng)力的傾角(與水平面的夾角)大部分較小，位于近水平方向，說明礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主；礦區(qū)最大主應(yīng)力的方向表現(xiàn)出較好的一致性，都為北偏東向，平均為N56.03°E。最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力值隨埋深變化的回歸特性方程為

小學(xué)英語教材中，每個(gè)單元都是一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)容，但是單元之間又是有很強(qiáng)的聯(lián)系的。如果在教學(xué)過程中，只注重所授單元的內(nèi)容，就勢必會(huì)影響到學(xué)生整體對(duì)知識(shí)的理解和掌握。因此，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際，靈活地結(jié)合各單元之間的內(nèi)容，來達(dá)到讓學(xué)生更好掌握知識(shí)的目的。

σ1=1.11+0.039 9H

(1)

σ2=0.51+0.020 4H

(2)

σ3=0.13+0.006 4H

(3)

式中：σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ2——中間主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

H——測點(diǎn)埋深，m。

經(jīng)計(jì)算，原巖應(yīng)力的輸入?yún)?shù)見表1。

表1 原巖應(yīng)力輸入?yún)?shù)

2)巖石力學(xué)參數(shù)

FLAC 3D軟件采用有限差分等數(shù)值計(jì)算方法，根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算后確定的巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 FLAC 3D輸入的巖石力學(xué)參數(shù)

4.3 模擬過程

采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)是巖體力學(xué)行為與開采歷史和開采過程有關(guān)，針對(duì)銅礦峪銅礦二期工程底部結(jié)構(gòu)，建立的后拉底數(shù)值模型的模擬過程為：

第1步驟：未采動(dòng)，原巖應(yīng)力狀態(tài)；

第2步驟：掘進(jìn)出礦穿脈、拉底巷道；

第3步驟：掘進(jìn)出礦進(jìn)路；

第4步驟：施工放礦漏斗(同拉底施工相同，分臺(tái)階施工)；

第5步驟：進(jìn)行拉底(按工程實(shí)際情況，分臺(tái)階施工)。

前進(jìn)式拉底方式數(shù)值模型模擬的過程前3步驟同后拉底方式，第4和第5步驟與后拉底方式互換。

5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

5.1 桃形礦柱拉應(yīng)力分析

圖2和圖3分別為后拉底和前進(jìn)式拉底中桃形礦柱的最小主應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，前進(jìn)式拉底桃形礦柱最小主應(yīng)力為5.8MPa，后拉底桃形礦柱上最小主應(yīng)力值達(dá)到6.6MPa。因此前進(jìn)式拉底可以明顯改善桃形礦柱的應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 后拉底方式桃形礦柱的最小主應(yīng)力云圖

圖3 前進(jìn)式拉底桃形礦柱的最小主應(yīng)力云圖

5.2 聚礦槽間柱拉應(yīng)力分析

圖4和圖5分別為后拉底和前進(jìn)式拉底中聚礦槽間柱體的最小主應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，前進(jìn)式拉底過程中間柱體所受最小主應(yīng)力最大值小于1.5MPa，后拉底過程中間柱體間柱體所受最小主應(yīng)力最大值小于5.7MPa，聚礦槽前后間柱體所受最大拉應(yīng)力變化明顯。

圖4 后拉底方式聚礦槽間柱體最小主應(yīng)力云圖

圖5 前進(jìn)式拉底聚礦槽間柱體最小主應(yīng)力云圖

5.3 最大主應(yīng)力分析

后拉底方式在聚礦槽形成后，開始進(jìn)行拉底，隨著空區(qū)體積增大，聚礦槽前后兩側(cè)的支撐體應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為明顯，最大達(dá)到54MPa，隨著拉底的逐步施工，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力隨之釋放，最大主應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 后拉底方式聚礦槽前后支撐體最大主應(yīng)力云圖

前進(jìn)式拉底時(shí)，由于先拉底，待拉底前鋒線之后30m的區(qū)域才開始形成聚礦槽，此時(shí)聚礦槽前后兩側(cè)的支撐體最大主應(yīng)力為44MPa，模擬分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 前進(jìn)式聚礦槽前后支撐體最大主應(yīng)力云圖

從以上兩種方式拉底過程中底部結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力變化來看，前進(jìn)式拉底過程中底部結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力明顯下降，這主要是由于前進(jìn)式拉底方式中，隨著拉底線超前推進(jìn)，底部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在更前方，具體如圖7所示，圖中①、②、③為工程形成順序。而后拉底方式中，由于拉底前鋒線滯后于聚礦槽的形成時(shí)間，因此拉底時(shí)應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在了聚礦槽的形成區(qū)域，具體如圖8所示，圖中①、②、③為工程形成順序。

圖7 前進(jìn)式拉底過程中應(yīng)力集中情況

圖8 后進(jìn)式拉底過程中應(yīng)力集中情況

6 結(jié)論

本文通過對(duì)前進(jìn)式拉底進(jìn)行模擬分析顯示：桃形體受最大拉應(yīng)力5.8MPa，而后拉底時(shí)桃形體上受最大拉應(yīng)力達(dá)6.6MPa；前進(jìn)式拉底聚礦槽前后間柱體所受最大拉應(yīng)力近1.5MPa，而后拉底時(shí)聚礦槽前后間柱體所受最大拉應(yīng)力達(dá)5.7MPa，聚礦槽前后間柱體所受最大拉應(yīng)力變化明顯；后拉底過程中底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為54MPa，前進(jìn)式拉底過程中底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為44MPa，拉底過程中底部結(jié)構(gòu)承受的最大主應(yīng)力也有明顯改善。從模擬結(jié)果可知前進(jìn)式拉底在高應(yīng)力環(huán)境下有明顯優(yōu)勢，對(duì)維護(hù)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有利，但由于目前后拉底方案仍能滿足生產(chǎn)需求，因此研究認(rèn)為在未來應(yīng)力逐漸增大情況下應(yīng)考慮采用前進(jìn)式拉底。