三鑫金銅礦殘礦保護性開采方案研究

郭士巖 任高峰 王維 雷高 柯波 張聰瑞

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院 武漢 430070； 2.武漢理工大學礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室 武漢 430070； 3. 湖北三鑫金銅股份有限公司 湖北黃石 435100)

0 引言

隨著地表資源日益枯竭，礦物資源變得日益稀缺，如何最大程度地回采礦物資源一直是礦山企業(yè)研究的重點。深部采礦主要的采礦方法為充填采礦法，通常留有大量頂底柱作為充填體的底板，此部分資源往往賦存條件極為復雜，受周邊充填體強度的影響[1]，充填體下底柱的回收是踐行礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的重要方式，也是近幾年來學者研究的重點。

充填體下除了如何安全回采出底柱礦石，同時還需要考慮開挖底板和礦房是否相互影響，既能讓底板和礦房的礦石協(xié)同開采，不影響安全生產，又同時保證礦石量的正常供應是當下研究的熱點。溫軍鎖等[2]利用數值模擬軟件對金廠峪金礦進行模擬計算，得出合理的殘礦回采方案；蔡漢玉等[3]采用層次分析法與模糊數學理論對比三種不同采礦方法，遴選出對殘礦回采最優(yōu)的采礦方法；史秀志等[4]利用數值模擬軟件和薄板理論對充填體假頂厚度進行研究，頂底柱殘礦回收有一定的指導意義；商歡迪等[5]通過數值模擬和現場監(jiān)測方法對程潮鐵礦殘礦回采引起地表變形進行研究；孫健等[6]對呷村銀多金屬礦的殘礦回收順序、回收方法進行了優(yōu)化研究；劉濤等[7]對礦體圍巖進行力學試驗和質量評價，結合數值模擬結果對殘礦回采順序進行優(yōu)化；劉慧等[8]確定殘礦回收區(qū)域的礦房結構參數，開展了殘礦回收方案研究，提出了多種回采方案進行優(yōu)化研究。上述研究多停留在理論研究，制定的回采方案與礦山現有計劃的契合相對薄弱。

本文通過對三鑫公司桃花嘴-570中段～-720中段的巖體現場地質調查、礦巖物理力學測試，利用Mathew法對礦房穩(wěn)定性計算，對礦房和底柱協(xié)同開采技術條件進行全面分析；為三鑫公司桃花嘴-570中段～720中段制定了10年回采計劃，結合數值模擬計算進行可行性研究。通過上述研究論證本研究方案應用于礦房和底板協(xié)同回收的可行性，為進一步解決目前礦山留存大量底板的問題，延長企業(yè)開發(fā)利用年限，增加礦山企業(yè)經濟效益，為地下礦山企業(yè)提供有益參考。

1 工程概況

湖北三鑫金銅股份有限公司礦床類型為矽卡巖型，礦山主要有桃花嘴和雞冠嘴兩個礦區(qū)，供礦主力中段為桃花嘴礦區(qū)本研究中段，此研究中段包括-570中段、-620中段、-670中段和-720中段，目前礦山生產能力3 000 t/d，三鑫公司將整個中段礦房回采充填完畢后，最后回采中段底柱，回采完畢的中段存在大量底柱，需要二次回采，嚴重制約了礦山可持續(xù)發(fā)展。目前研究中段大部分中段采準切割都已經完成，同時-570中段已經進行了回采工作，在符合礦山現有的采準切割工程基礎之上，要保證回采安全以及底柱與礦房協(xié)同開采的需要，因此需要制定出有針對性的協(xié)同回采方案。根據協(xié)同開采的理論，上下中段勘探線之間礦房回采充填完畢后，回采底柱，可以達到礦房-底柱協(xié)同開采，避免中段回采完畢后留有大量底柱。

2 現場調查

2.1 現場節(jié)理裂隙調查

為了探究桃花嘴調查區(qū)域的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，在桃花嘴研究中段布設合理測線共14條，總長307 m，詳細調查472條結構面裂隙，平均每米1.54條。通過調查桃花嘴優(yōu)勢結構面為58°∠66°。圖1為桃花嘴調查區(qū)域等密圖。

圖1 桃花嘴調查區(qū)域等密圖

2.2 現場物理力學性質試驗

為了調查研究中段各分段礦石和圍巖的物理力學性質，在各中段共選取152組巖樣進行點荷載試驗，包括64組圍巖試樣、88組礦石試樣。測得圍巖和礦石點荷載強度均值分別為4.32 MPa和3.90 MPa。

單軸抗壓強度計算公式見式(1)[9]：

Rc=24Is(50)

(1)

式中，Rc為單軸抗壓強度；Is(50)為直徑50 mm標準試件的點荷載強度指數。計算后得到單軸抗壓強度分別為 106.3 MPa、93.6 MPa。

2.3 Mathew法礦房穩(wěn)定性研究

Mathew法于1980年提出后，廣泛應用于判斷采場的總體穩(wěn)定性。其主要原理為利用NGI巖體分級指標Q計算巖體穩(wěn)定性指數N[10]，確定采場結構參數并計算采場暴露面形狀系數S(或稱水力半徑)，建立巖體穩(wěn)定性指數N與采礦暴露面積形狀系數S之間關系，判斷采場的總體穩(wěn)定性。

2.3.1 穩(wěn)定性指數N

穩(wěn)定性指數N的計算如式(2)：

N=Q′·A·B·C

(2)

式中，Q′為修改的NGI巖體質量指數；A為應力系數；B為巖體缺陷方位修正系數；C為設計采場暴露面方位修正系數。

巖體質量指數Q作為巖體穩(wěn)定性分級的標準，Q值為修改的NGI巖體質量指數Q′。其中Q值用式(3)計算：

Q=R·Jr·Jw/(Jn·Ja·Sf)

(3)

式中，R為巖體質量指標(取樣完好率)；Jr為節(jié)理粗糙度；Jw為節(jié)理裂隙水折減系數；Jn為節(jié)理組數，主要用來評價圍巖及礦體的質量；Ja為節(jié)理蝕變、充填及膠結程度；Sf為應力折減系數，取Sf=1。根據前期現場調查各參數選取見表1。

表1 巖體質量各參數取值 %

可算得Q=6.19，考慮到實際工程地質條件的變化，取Q=6。

(2)巖體缺陷方位修正系數B。確定節(jié)理方向調整因子B的方法需要考慮關鍵節(jié)理與采場的傾向相對差別外，還需考慮傾向的相對差別。根據現場工程地質調查情況，本次研究B可取0.7～0.9。

(3)設計采場暴露面方位修正系數C。水平暴露面的修正系數C值取1，對于其他面的C值可用式(4)計算：

C=8-7cosα

(4)

式中，α為暴露面與水平面的夾角。根據前文研究570中段～720中段礦體傾角優(yōu)勢角度為66°，則計算C值為5.153。綜合上述分析計算過程，僅考慮穩(wěn)定系數，可得N的取值為10.82～13.91。

2.3.2 形狀因子S(水力半徑R)

水力半徑R(或形狀因子S)反映了采場的尺寸和形狀。當采場形狀復雜時，水力半徑可能不足以描述幾何形狀對穩(wěn)定的影響。本研究采用形狀因子S作頂板穩(wěn)定性的評價指標。

任何井下的暴露面均可認為是由兩個方向的跨度組成，即認為是一個長方形。形狀因子的定義為面積與周長之比，如式(5)：

S=LL1/2(L+L1)

(5)

式中，L為采場寬度；L1為采場長度。值得注意的是，當暴露面長寬之比大于4∶1時，此時的形狀因子基本保持不變，即此時暴露面的穩(wěn)定性主要受暴露面寬度的影響。

2.3.3 采場形狀因子S

基于對數回歸分析改進的Mathews穩(wěn)定圖見圖2。

圖2 基于對數回歸分析改進的Mathews穩(wěn)定曲線

圖2中穩(wěn)定-破壞線滿足關系式(6)：

lgN=1.948 7lgS-0.463 6

(6)

圖2中破壞-崩落線滿足關系式(7)：

lgN=1.948 7lgS-2

(7)

穩(wěn)定性指數N為10.82～13.91，根據式(6)和式(7)得到采場穩(wěn)定的形狀因子為10.08～11.46，若取最大值，則采場穩(wěn)定暴露面積的形狀因子為11.5。

2.3.4 采場的穩(wěn)定暴露面積和極限暴露面積

礦體頂板Mathew穩(wěn)定性圖評價見表2。

表2 礦體頂板Mathew穩(wěn)定性圖評價

綜上，建議采場的跨度小于20 m比較合理，需要及時支護頂板才能保持采場穩(wěn)定性，采場最大的暴露面積為800 m2，此時可盡可能發(fā)揮巖體的自支承能力。

3 數值模擬計算

3.1 方案初選

三鑫公司將整個中段礦房回采充填完畢后，最后回采中段底柱，回采完畢的中段存在大量底柱，需要二次回采，嚴重制約了礦山可持續(xù)發(fā)展。根據協(xié)同開采的理論，上下中段勘探線之間礦房回采充填完畢后，回采底柱，可以達到礦房-底柱協(xié)同開采，避免中段回采完畢后留有大量底柱。

前期三鑫礦業(yè)已經對研究中段部分進行了回采，采準開拓工序大部分已經完成，同時制訂了10年回采計劃，為了盡可能小地影響礦山企業(yè)現有的回采計劃，同時保證企業(yè)高效安全地回采礦房和底柱。

3.2 數值模擬構建

利用前文Mathews所優(yōu)化的礦房尺寸，采用不改變礦山礦房尺寸及回采方法，針對礦房-底柱協(xié)同開采。根據桃花嘴14#勘探線以東研究中段的形狀特征，利用ANSYS建立相似礦體及圍巖模型并劃分網格，構建的數值計算模型長600 m，寬500 m， 高 280 m，模型z向標高為0～-680 m，模型建立完畢后，導入FLAC3D，利用FLAC3D對礦房、底柱開挖充填進行數值模擬，采用摩爾-庫倫本構模型。

數值模擬的相關力學參數引用礦山原有參數，并對相關參數進行了相應的工程折減， 結果如表3所示。

表3 數值模擬參數選取

3.3 地應力計算

地應力值隨深度變化的規(guī)律[10]，按照線性回歸如式(8)方程：

σ=kH+b

(8)

式中，σ為在不同深度的應力值，MPa；H為深度，m；k、b為線性方程參數。

根據大冶鐵礦地應力測試結果， 得出以下地應力方程，并將此結果運用到三鑫礦區(qū)，直接施加到數值模型上。

σmax=0.042H，σmin=0.028H，σh=0.027H。

建模后按照模型的實際深度計算地應力，并以x、y、z軸為加載方向施加主應力。固定邊界后，以最大不平衡力為收斂條件，求解至平衡，并將地應力引起的位移值歸零。此時模型可以近似代表礦體在進行地下開采前的實際狀態(tài)，用于后續(xù)的開挖計算。

3.4 數值模擬計算結果分析

本研究重點分析礦房-底柱協(xié)同開采的應力、位移分布規(guī)律，根據數值計算結果分析每年回采、充填圍巖及礦體的變化情況，得出位移隨著回采礦房的演變和礦山最大主應力與年份之間的關系如圖3所示，可以看出：隨著開挖年限的增加，礦房最大沉降量逐年增加，增加幅度先較快，在2023年后增加幅度變緩，主要原因為在2023年主要開挖-570中段和-620中段的礦體，開挖的礦體較為集中，導致礦房的位移量增加得較快；在2030年末，-570～-720中段開采完畢后，如圖4可以看出最大位移出現在-570中段，礦房下沉量為10.1 cm，能夠保證礦山的安全運行。圖5為2030年礦房最大主應力,可以發(fā)現最大主應力先快速減小后趨于穩(wěn)定，說明充填體能有效減少最大主應力值。

圖3 開采位移變化值

圖4 2030年礦房位移

圖5 2030年礦房最大主應力

4 結論

(1)為了了解三鑫礦山賦存礦石與圍巖的地質條件，對研究中段地質條件進行測量，得出所測量的中段的優(yōu)勢結構面為58°∠66°；同時，對礦石和圍巖進行了力學試驗，得出了主要的力學參數。

(2)基于前期地質考察結果，利用Mathew法對礦房穩(wěn)定性進行了研究，得出采場最大的暴露面積，制定不同礦房尺寸，選擇出最佳的開挖暴露面積，發(fā)揮最大的礦房的自承能力，保證礦山的安全運營。

(3)結合當前礦山現有的開挖條件，根據調查結果，制定了三鑫礦山礦房和底柱協(xié)同回采方案，通過FLAC3D模擬軟件進行了計算，2030年發(fā)現頂板累計z方向的最大位移達10.1 cm，符合安全生產要求。