掛幫礦分段空場嗣后充填法開采及其數(shù)值模擬研究*

譚偉，黃明清，王明

(1.紫金礦業(yè)集團股份有限公司， 福建 廈門市 361000；2.福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350116)

0 前言

江銅銀山礦業(yè)有6個開采區(qū)段，采用地下開采的方式開采鉛鋅礦，以露天開采的方式開采九區(qū)銅礦體?，F(xiàn)主要以九區(qū)的露天開采為主，礦山原有露天生產(chǎn)能力為5000 t/d。根據(jù)深部挖潛擴產(chǎn)改造初步設(shè)計，設(shè)計地下開采生產(chǎn)能力為 8000 t/d，將來露天和地下同時開采時的總生產(chǎn)能力為13000 t/d。首期地下開采范圍為-288 m至-658 m之間的礦體，主要采礦方法為分段空場嗣后充填法和淺孔留礦法。首采中段為-378 m和-478 m中段。

礦山于2011年12月完成了單系列6500 t/d處理能力的銅選廠建設(shè)，2012年底達產(chǎn)達標(biāo)。為了與選廠的處理能力相配套，自 2012年底起，露天開采的供礦量由5000 t/d提高到6500 t/d。然而露采供礦量的增加不僅加速了露天開采的下降速度，減少了礦山服務(wù)年限，同時還縮短了礦山后期13000 t/d的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)時間。為此，適度提前開采掛幫礦體作為補充礦量，從全局上控制露采規(guī)模及礦山服務(wù)年限成為礦山亟需解決的問題。

掛幫礦通常采用露天擴幫開采、地下開采、露天與地下聯(lián)合開采的方式開采[1-2]，銀山掛幫礦因其特殊性，上部露天和深部地下開采仍有很長的共同生產(chǎn)時間，選取合理的采礦方法及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)[3-4]，不僅對維護自身及露天開采的穩(wěn)定具有重要意義，也對深部地下大規(guī)模開采具有重要的借鑒作用。

1 開采方案

掛幫礦的開采原則上既要保證自身開采的安全、經(jīng)濟與高效，也要確保露天開采的安全與穩(wěn)定。露天開采銅礦石的入選品位低于0.4%，在銀山礦現(xiàn)有條件下，通過增加剝采比的方式開采掛幫礦，在經(jīng)濟上不合理[5]；同時，由于上部露天礦仍在開采，最終境界尚未形成，無法采用露天和地下聯(lián)合開采的方式進行開采。而采用地下開采的方式[6-7]，若選擇的采礦方法合適，可對掛幫礦高品位礦石進行選擇性開采，并且可以充分利用深部地下開采已建成的開拓系統(tǒng)。因此，推薦采用地下開采的方式來開采掛幫礦。

1.1 開采技術(shù)條件

研究開采區(qū)域為-288 m水平以上露天開采二期境界以外的掛幫礦體，主要包括N1、N2、N3、和S1礦體。從地質(zhì)儲量估算結(jié)果可知，-288 m水平以上掛幫礦總儲量約為 2996萬 t，Cu平均品位為0.49%；其中-223 m水平以上掛幫礦儲量為1518萬t，Cu平均品位為0.45%；-288 m～-223 m掛幫礦儲量為1478萬t，Cu平均品位為0.54%。

九區(qū)礦體主要賦存于3#英安斑巖體南北外接觸帶及巖體兩側(cè)角礫巖、千枚巖、蝕變石英閃長巖及石英斑巖內(nèi)。礦體走向近東西向、傾向南，傾角為79°～88°，主礦體厚度為20 m～60 m，最大厚度92 m，垂深超過1000 m。其中S1礦體走向近東西向、傾向南，傾角為 70°～88°，平均為 81°，厚度為25 m～80 m，平均厚度為59 m；N3礦體走向近東西向、傾向南，傾角為 77°～87°，平均為 85°，厚度為25 m～50 m；N1礦體平均傾角為85°，厚度為0.98 m～42.99 m，平均厚度為12.17 m；N2礦體平均傾角為84°，厚度為1.52 m～33.97 m，平均厚度為11.03 m。

礦區(qū)工程地質(zhì)條件中等，礦體及其頂?shù)装鍘r體均屬半堅硬至堅硬完整穩(wěn)固型巖層，礦區(qū)斷層結(jié)構(gòu)面屬禁閉型，破碎帶經(jīng)蝕變膠結(jié)，對礦床開采無較大影響。較多采空區(qū)沒有任何支護，歷經(jīng)數(shù)年，至今仍保持完好。九區(qū)礦體圍巖整體穩(wěn)定性較好。本區(qū)自然環(huán)境地質(zhì)條件中等，未出現(xiàn)有破壞性地震、較大的山體滑坡及泥石流記載。山體穩(wěn)固，無滑坡、塌方危害，無放射性異常顯示。

1.2 采礦方法

結(jié)合礦山現(xiàn)狀及礦體開采技術(shù)條件，對于中厚及以上礦體，推薦采用分段空場嗣后充填法，根據(jù)礦體厚度不同，分別采用垂直走向布置和沿走向布置2種方式；對于薄礦體，推薦采用淺孔留礦嗣后充填法。80%以上礦體厚度大于20 m，采用垂直走向布置的分段空場嗣后充填法開采。

（1）礦塊布置。礦塊沿走向長為30 m，分兩步驟回采，一步驟10 m～15 m，二步驟15 m～20 m；寬度為礦體厚度，中段高65 m；分段高度15 m，不留間、頂柱，留5 m底柱。采場底部結(jié)構(gòu)為塹溝形式。礦塊結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

（2）回采順序。礦塊內(nèi)先回采一步驟礦柱，然后進行充填，待充填體穩(wěn)定后，再回采二步驟礦房，最后對礦房進行充填。采場內(nèi)從中間向兩側(cè)推進，或從一端往另一端后退式回采；上下相鄰分段回采時，上部分段超前下分段2～3個崩礦步距，要保證上分段鑿巖是在下分段的穩(wěn)固礦體上進行，以保障鑿巖作業(yè)的安全。

圖1 垂直走向的分段空場嗣后充填法

（3）采準(zhǔn)切割。采準(zhǔn)切割主要工程有采準(zhǔn)斜坡道、斜坡道聯(lián)絡(luò)道、脈外出礦巷道、分段巷道、鑿巖巷道、出礦進路、溜井聯(lián)絡(luò)道、溜井、切割平巷及切割天井等。每個采區(qū)布置一條采準(zhǔn)斜坡道和一個礦石溜井，按一個礦塊計算，采切工程總計760 m、8782.8 m3。

（4）回采。鑿巖采用DL311中深孔鑿巖臺車，鉆頭直徑為76 mm，機芯高度為1.85 m。炮孔扇形布置，臺班效率為80 m/臺班，采用平行炮孔崩礦，排距為 2.2 m，最小抵抗線為 2.2 m。裝藥采用BJC-41型地下礦用乳化炸藥裝藥車。以切割立槽為自由面起爆，微差爆破，非電導(dǎo)爆系統(tǒng)起爆。由上盤向下盤回采，開始先爆破一排，正常狀態(tài)下每次2～3排，可以多個分段同時側(cè)向崩礦。爆破落礦后進行通風(fēng)，排出炮煙，然后進行撬毛，局部不穩(wěn)固要作支護處理。爆下的礦石借自重落到出礦分段，使用斗容10 t的柴油鏟運機出礦，礦石通過出礦聯(lián)絡(luò)道、分段巷道被轉(zhuǎn)運到礦石溜井。鏟運機出礦效率為550 t/臺班。

（5）通風(fēng)。新鮮風(fēng)流由中段巷道通過管纜進風(fēng)井、輔助斜坡道、分段巷道、鑿巖巷道進入采場回采工作面，污風(fēng)經(jīng)空場上部分段巷道，匯入上部通風(fēng)巷道，進入老采區(qū)巷道排出地表。為加快爆破炮煙排出，采場可采用局扇加強通風(fēng)。

（6）采場支護。一般情況下不予支護，對于不穩(wěn)固地段，可采用錨桿支護或錨網(wǎng)支護等聯(lián)合支護方式進行處理。

（7）充填?；夭山Y(jié)束后，對采空區(qū)按一步驟采用高強度全尾砂膠結(jié)充填，充填體強度需大于1.8 MPa，灰砂比為1:4；二步驟用全尾砂微膠結(jié)充填，對強度基本沒有要求，但需要固結(jié)，灰砂比為1:20。

2 數(shù)值模擬及其結(jié)果分析

為了給將來大規(guī)模地下開采礦塊布置提供依據(jù)，以及保障掛幫礦自身開采的安全、經(jīng)濟和高效，在巖石力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計算的方法對垂直走向的分段空場嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化[8-10]。

2.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)前文所述，采場回采高度為60 m（不含底柱），礦體厚度為40 m，沿走向長度30 m，分礦房、礦柱兩步驟回采。先采礦柱，采用灰砂比1:4高強度充填體充填后再采礦房；礦房回采后，用灰砂比1:20的低強度充填體進行充填。模擬方案見表1。

表1 模型設(shè)計方案參數(shù)

由于實際開采時，采場回采完后，需立即進行充填處理，所以以上方案中一步驟的開采尺寸對整體開采的穩(wěn)定性影響不大，而二步驟開采完后，其兩側(cè)充填體能否保持穩(wěn)定，不僅與充填體自身強度有關(guān)，還與二步驟礦房回采寬度有關(guān)。因此，本次，主要是依據(jù)實際回采順序進行數(shù)值計算，模擬相鄰的3個礦塊回采，模擬回采區(qū)域如圖2所示，采場編號依次為 1-1、1-2、2-1、2-2、3-1。3個礦塊的一步驟采場均已回采且充填完畢，其中一個礦塊的二步驟采場也充填完畢，對下一個礦塊的二步驟采場進行回采，分析此時的穩(wěn)定性狀態(tài)。

圖2 回采區(qū)域

2.2 模擬過程

（1）參數(shù)選取。本次巖體力學(xué)參數(shù)均是通過相關(guān)巖石力學(xué)試驗所得，各類型巖體的力學(xué)參數(shù)詳見表2。

表2 各類型巖體及充填體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

（2）初始條件和邊界條件。本次計算模型邊界約束采用位移約束的方式，計算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率≤10-5。根據(jù)圣維南原理，采場影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移將很小，可將計算模型邊界位移視為零。因此，模型頂部為自由邊界，上部施加上覆巖層自重應(yīng)力約束，根據(jù)該礦地表高程平均取+57 m，可知建立的計算模型埋深約為280 m，則模型的上覆巖層自重應(yīng)力即豎直應(yīng)力為σv=7.56 MPa；其它各邊界施加位移約束。

（3）本構(gòu)模型。數(shù)值模擬涉及到的巖石、充填體均屬于彈塑性材料，假設(shè)礦巖為理想彈塑性體，使用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為巖體的破壞準(zhǔn)則。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的剪切破壞判據(jù)如式（1）所示：

式中，σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；c為黏結(jié)力（或內(nèi)聚力），φ為內(nèi)摩擦角；f為破壞判斷系數(shù)，當(dāng)f≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài)；當(dāng)f＜0時，材料處于彈性變形階段；Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究礦柱礦房兩步驟回采的合理跨度，對所涉及的3種方案進行了模擬計算，分別從應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化情況進行分析。

2.3.1 豎直和水平位移分析

（1）豎直位移分析。3個方案位移最大區(qū)域均主要集中在頂板中間和左側(cè)2-1充填體靠近頂部區(qū)域。方案一礦房開挖后，頂板最大下向位移為 6.8 cm，兩側(cè)一步驟充填體最大下向位移為6 cm～6.5 cm。方案二礦房開挖后，頂板最大下向位移為7 cm，兩側(cè)一步驟充填體最大下向位移為5 cm～6 cm。方案三礦房開挖后，頂板最大下向位移為7.1 cm，左側(cè)一步驟充填體2-1最大下向位移為7 cm～7.1 cm，右側(cè)一步驟充填體 3-1最大下向位移為 6 cm～7 cm。從最大豎直位移可知，3個方案中礦房開挖后，從方案一至方案三礦房頂板下向位移略有增加，但增加不大；兩側(cè)充填體下向位移相差也不大，方案三的略大一些。

（2）水平位移分析。各個方案開挖后，水平位移最大的位置均發(fā)生在左側(cè)充填體立柱2-1的中部；右側(cè)充填體立柱3-1受相鄰未開挖礦房的保護，整體位移較小且分布相對均勻。方案一礦房開挖后，左側(cè)充填體立柱2-1的最大位移為9.6 cm；右側(cè)充填體立柱3-1的最大位移為5.8 cm；位移方向均指向空區(qū)。方案二礦房開挖后，左側(cè)充填體立柱2-1的最大位移為10.8 cm；右側(cè)充填體立柱3-1的最大位移為5.1 cm；位移方向均指向空區(qū)。方案三礦房開挖后，左側(cè)充填體立柱 2-1的最大位移為13.3 cm；右側(cè)充填體立柱3-1的最大位移為4.9 cm。從水平位移分析可知，方案三充填體立柱2-1的位移量最大，達到了 13.3 cm，相對來說較不穩(wěn)定；充填體立柱3-1因受相鄰未開采礦房的影響，反而寬度越小，水平位移越小。

2.3.2 豎直應(yīng)力分析

圖3顯示了各個方案開挖后，沿礦體走向的豎直應(yīng)力分布情況。從沿走向剖面可知，充填體立柱從暴露面往深部方向，最大豎直應(yīng)力是逐步增大的。方案一礦房開挖后，礦房兩側(cè)充填體暴露面區(qū)域豎直應(yīng)力為0.12 MPa～1 MPa。方案二礦房開挖后，礦房兩側(cè)充填體暴露面區(qū)域豎直應(yīng)力為 0.08 MPa～1 MPa。方案三礦房開挖后，礦房兩側(cè)充填體暴露面區(qū)域豎直應(yīng)力為0.05 MPa～1 MPa。整體來看，3個方案在豎直應(yīng)力方面，相差不大。

圖3 豎直應(yīng)力云圖

2.3.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)是判斷圍巖和充填體是否破壞的重要指標(biāo)。從圖4可知，礦房頂板在開挖過程中均存在少量的塑性區(qū)，對礦房整體的穩(wěn)定性影響不大；礦房兩側(cè)充填體立柱在開挖過程中，均出現(xiàn)了大量的塑性區(qū)，在計算平衡后，各方案均出現(xiàn)了不同程度的新增塑性區(qū)。

方案一礦房開挖平衡后，左側(cè)充填體立柱 2-1出現(xiàn)了較大面積新增塑性區(qū)，但塑性區(qū)未貫穿整個立柱；方案二礦房開挖平衡后，左側(cè)充填體立柱2-1中部也出現(xiàn)了較大面積新增塑性區(qū)，同樣塑性區(qū)未貫穿整個立柱，但可看到局部區(qū)域已接近貫穿；方案三礦房開挖平衡后，左側(cè)充填體立柱2-1中部以上出現(xiàn)了大面積新增塑性區(qū)，并且局部已貫穿整個立柱，有可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖4 塑性區(qū)分布云圖

綜合以上分析，3個方案中礦房開挖后，礦房頂板下向位移相差不大，方案三兩側(cè)充填體下向位移最大；在水平位移方面，方案三充填體立柱 2-1的位移量最大，達到了 13.3 cm，相對來說更不穩(wěn)定；在豎直應(yīng)力方面，3個方案充填體立柱應(yīng)力集中區(qū)域的最大豎直應(yīng)力相差不大；在塑性區(qū)分布方面，方案一和方案二開挖平衡后的新增塑性區(qū)面積雖然較大，但均未貫通整個充填體立柱，而方案三開挖平衡后，不僅新增塑性區(qū)面積大，而且局部已貫通整個充填體立柱。由此可知，方案三的結(jié)構(gòu)參數(shù)較不合適，方案一和方案二為可選結(jié)構(gòu)參數(shù)。

然而，從空場嗣后充填法開采經(jīng)濟成本的角度出發(fā)，較低的充填成本將帶來更高的經(jīng)濟效益。因一步驟需采用高強度的充填體充填，二步驟采用低強度的充填體充填，在保證開采穩(wěn)定的前提下，一步驟寬度較小的方案相對更優(yōu)。因此，推薦采用方案二的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即一步驟礦柱寬為12 m，二步驟礦房寬為18 m，采高為60 m。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)掛幫礦的開采條件以及礦山的開采現(xiàn)狀，提出優(yōu)先開采-288～-223 m中段掛幫礦的開采思路，同時針對占比較大的厚度大于20 m的礦體設(shè)計采用垂直走向布置的分段空場嗣后充填法開采。

（2）為了給將來大規(guī)模地下開采礦塊布置提供依據(jù)，以及保障礦體開采的安全、經(jīng)濟和高效，提出了采用數(shù)值模擬的方式對3種不同的礦塊結(jié)構(gòu)布置方案進行優(yōu)化，分別為一步驟礦柱寬為15 m，二步驟礦房寬為15 m；一步驟礦柱寬為12 m，二步驟礦房寬為18 m；一步驟礦柱寬為10 m，二步驟礦房寬為20 m。

（3）分別對 3種方案進行數(shù)值計算后，從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布方面進行分析得知，方案三的結(jié)構(gòu)參數(shù)較不合適，方案一和方案二為可選結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)合開采經(jīng)濟性，推薦采用方案二的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即一步驟礦柱寬為12 m，二步驟礦房寬為18 m，采高為60 m。具體實施時，建議先進行現(xiàn)場試驗。