高峰礦深部厚大礦體回采順序設(shè)計與優(yōu)化

韋軍(河池五吉有限責任公司，廣西 河池 547000)

0 引言

深部高應(yīng)力環(huán)境下合理的礦體回采順序可以有效改善圍巖應(yīng)力分布，避免巖體發(fā)生應(yīng)力集中或變形導致的采場頂板失穩(wěn)垮塌等工程災(zāi)害，從而能保證礦山安全高效生產(chǎn)。針對采場回采順序優(yōu)化問題，國內(nèi)外學者從理論分析[1]、數(shù)值模擬[2-4]及數(shù)值模擬與智能算法相結(jié)合[5-7]三方面開展了大量研究工作，取得了較好的研究成果，為礦體回采順序優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

廣西高峰礦經(jīng)過多年開采深度已達1000m，目前主要開采105 號礦體采用的采礦方法為機械化上向水平分層充填法，階段高度48m，分段高度12m，分層高度4m[8]。主要開采的兩個中段位于-103～-200m 水平之間， 主要開拓中段位于-200～-250m水平之間。為滿足礦山產(chǎn)量要求，-103～-200m 兩個中段內(nèi)礦體回采順序被打亂，-103m、-108m、-128m、-132m、-127m、-161m水平的礦體基本都在充填體下采礦。由于充填體強度相對較低，回采過程中受爆破影響充填體容易失穩(wěn)垮塌，增加了回采作業(yè)的安全風險，嚴重威脅到工人的安全；除此之外，垮塌的充填體混入礦石將造成貧化，嚴重影響出礦品位，增加了礦山的采選成本。為了避免類似問題在現(xiàn)主要開拓中段出現(xiàn)，有必要對高峰礦-200～-250m 水平之間的礦體開展回采順序優(yōu)化，可為礦山安全高效回采提供科學指導。

1 模型構(gòu)建與方案設(shè)計

1.1 模型建立

為了保證數(shù)值計算結(jié)果的準確性，根據(jù)高峰礦深部-200～-250m水平之間厚大礦體的賦存條件和圣維南原理，可得數(shù)值計算模型的尺寸為長(1160m)×寬(1130m)×高(524m)，數(shù)值計算網(wǎng)格模型如圖1 所示。為了有效施加邊界條件，模型標高需與礦體賦存標高相一致，根據(jù)模型標高和礦體賦存標高可推算出模型底部標高-224 與礦山實際標高-474m 水平相等。

圖1 數(shù)值計算網(wǎng)格模型

1.2 回采順序設(shè)計

高峰礦深部厚大礦體采用機械化上向水平分層充填法回采，采場垂直礦體走向布置，采場長度為礦體厚度，采場劃分示意圖如圖2 所示。根據(jù)高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和采礦方法，本次模擬設(shè)計了3 種回采順序。順序一從一端向另外一端連續(xù)推進，即開采1#采場→充填1#采場→開采2#采場→充填2#采場→開采3#采場→充填3#采場→開采4#采場→充填4#采場→開采5#采場→充填5#采場；順序二從中間向兩端間隔回采，即開采2#和4#采場→充填2#和4#采場→開采1#、3#和5#采場→充填開采1#、3#和5#采場；順序三從中間向兩端連續(xù)推進，即開采3#采場→充填3#采場→開采2#和4#采場→充填2#和4#采場→開采1#和5#采場→充填開采1#和5#采場。通過對以上三種回采順序進行數(shù)值模擬仿真，比較分析各回采順序采充循環(huán)過程中采場頂板最大拉應(yīng)力變化情況得出適合高峰礦深部厚大礦體的最優(yōu)回采順序，確保礦山安全、高效回采。

1.3 計算參數(shù)確定

為了準確獲取數(shù)值計算所需的參數(shù)，對已充填至井下的充填體和-250～-200m 水平之間的礦巖取芯和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)巖石力學試驗結(jié)果和巖石強度折減系數(shù)法獲得了數(shù)值計算所需的參數(shù)，結(jié)果見表1。

數(shù)值模擬結(jié)果的準確性除了需要提供巖體力學參數(shù)，還需準確生成初始地應(yīng)力場。根據(jù)長沙礦山研究院對高峰礦深部地應(yīng)力的測試結(jié)果，回歸分析得到了高峰礦地應(yīng)力與深度之間的關(guān)系[9]：

式中：H為豎直方向深度(m)；σx為東西方向主應(yīng)力(MPa)；σy為南北方向主應(yīng)力(MPa)；σz為垂直應(yīng)力(MPa)。

初始應(yīng)力場生成過程中水平應(yīng)力的施加根據(jù)模型中模型底部標高-224 與礦體實際標高-250m 水平等同及礦山地表標高，求出模型底部標高-224 處的σx和σy后，結(jié)合σx和σy隨高程的變化梯度施加到模型前后邊界和左右邊界；垂直應(yīng)力的施加根據(jù)模型頂部標高+280 與礦體實際標高+30m 水平等同及礦山地表標高，求出模型頂部的σz施加到模型上表面，并考慮模型自重應(yīng)力。

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

圖3 為不同回采順序采場頂板最大拉應(yīng)力隨回采步數(shù)的變化曲線。由圖3(A)可知，順序一回采1#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，回采2#、3#、4#和5#采場時采場頂板拉應(yīng)力先升高后降低；整個回采過程中，回采1#、2#、3#和4#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力均在安全界線以下，頂板垮落可能性較小，但回采5# 采場時采場頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大。由圖3(B)可知，順序二同時回采2#和4#。

圖2 采場劃分示意圖

表1 數(shù)值計算參數(shù)

圖3 采場頂板最大拉應(yīng)力隨回采步數(shù)的變化曲線

采場時采場頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后升高，同時回采1#、3#和5#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后降低；整個回采過程中，同時回采2#和4#采場、1#、3#和5#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力均在安全界線以下，頂板垮落可能性較小。由圖3(C)可知，順序三回采3#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力先保持穩(wěn)定后升高，同時回采2#和4#采場和1#和5#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力均保持降低；整個回采過程中，回采3#采場和同時回采2# 和4#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力在安全界線以下，頂板垮落可能性較小，但同時回采1#和5#采場時采場頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大。

綜上分析可知，順序一和順序三在整個回采過程中采場頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大，順序二在整個回采過程中采場頂板最大拉應(yīng)力均低于安全界線，頂板垮落可能性較小。機械化上向水平分層充填法整個回采作業(yè)環(huán)節(jié)都在頂板之下，所以順序一和順序三回采作業(yè)安全風險較高，順序二回采作業(yè)安全風險較低。因此，對于高峰礦深部厚大礦體的整體回采順序建議采用順序二，即先回采 2# 和 4#采場，充填 2#和 4#采場，再開采 1#、3#和 5#采場，再充填 1#、3#和 5#采場。

3 結(jié)語

(1)根據(jù)高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和工程實際情況，設(shè)計了三種回采順序，順序一為一端向另一端連續(xù)推進；順序二為中間向兩端間隔回采；順序三為中間向兩端連續(xù)推進。

(2)通過對三種回采順序進行Flac3d 數(shù)值仿真分析，發(fā)現(xiàn)順序一和順序三在整個回采過程中采場頂板最大拉應(yīng)力超過了安全界線，順序二在整個回采過程中采場頂板最大拉應(yīng)力均低于安全界線。建議采用順序二對高峰礦深部厚大礦體進行回采，即先回采2#和4#采場，充填2#和4#采場，再開采1#、3#和5#采場，再充填1#、3#和5#采場。