冬瓜山銅礦高大采場二步驟回采順序優(yōu)選研究

毛薦新, 汪令輝, 楊志國

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

礦山深部回采往往伴隨著地壓問題的逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為巖石破壞過程強烈、圍巖變形加劇、巷道支護困難等，由于礦山地壓導(dǎo)致的動力危害現(xiàn)象強度增大、頻率增加，嚴重影響深部礦體資源的安全開采、制約礦山經(jīng)濟效益的提高[1]。冬瓜山銅礦礦體埋藏深度大，最深達到1 000 m，高應(yīng)力問題尤為突出。當前，冬瓜山銅礦60線以北采用大直徑深孔落礦技術(shù)[2]，采用暫留礦柱連續(xù)回采階段空場嗣后充填采礦方法，一步驟回采礦房，二步驟回采礦柱。一步驟回采后采場空區(qū)垮落嚴重，增加了二步驟采場的回采難度，為保證礦山安全高效生產(chǎn)，亟待解決空區(qū)垮落下二步驟回采的問題。

針對礦山高大采場回采方案優(yōu)化方法在傳統(tǒng)上主要有解析法、工程類比法、模型試驗法等[3-7]，但難以及時準確地實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化選擇，本研究利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D分析二步驟采場不同回采順序后，采場應(yīng)力應(yīng)變情況，優(yōu)選出最佳的回采方案。

2 礦山采空區(qū)及采場垮落現(xiàn)狀

1)采空區(qū)垮落現(xiàn)狀

目前60線盤區(qū)部分采場空區(qū)垮落嚴重，60- 24#、60- 8#采場、60- 12#采場垮落嚴重，尤其是60- 8#采場，最大垮落的厚度超過16 m，幾乎垮通60- 9#采場。部分高度小的空區(qū)(60- 26#和60- 28#空區(qū))也有輕微的垮落，部分高大的空區(qū)(60- 4#和60- 22#空區(qū))幾乎沒有垮落。

2)鑿巖硐室破壞情況

60- 8#采場空區(qū)在充填過程中，大量的充填水通過60- 7#采場之間的裂隙流向-825 m中段60- 8#采場硐室，現(xiàn)場水流較大，具體如圖1a所示。通過現(xiàn)場調(diào)查可知，-825 m中段60- 6采場硐室靠近60- 7#一側(cè)，硐室側(cè)幫有大量礦巖片落，節(jié)理較為發(fā)育。60- 6#采場硐室中間的間柱破壞嚴重，破壞形式主要為壓碎性破壞，具體如圖1b所示，60- 6#采場地應(yīng)力非常集中。

圖1 鑿巖硐室破壞情況

60線空區(qū)垮落嚴重影響二步驟采場的安全高效回采，高度小的空區(qū)有輕微的垮落，部分高度大的空區(qū)也存在沒有垮落的。針對空區(qū)圍巖失穩(wěn)問題，亟待優(yōu)選出安全高效的二步驟回采方案。

3 二步驟采場回采方案初選

二步驟采場回采過程中，由于礦體兩側(cè)均為充填體，采用從兩側(cè)向中間回采的方式不適應(yīng)，因而初選出二步驟回采的方案主要有以下3種。

1)方案一：采場單向逐步回采

該方案是冬瓜山礦床二步驟采場回采的主要方式，通過二步驟空區(qū)破壞現(xiàn)狀以及充填體的穩(wěn)定情況，該方案依然存在較大的可行性，需要進一步的驗證，具體如圖2所示。

圖2 二步驟采場單向回采示意圖

2)方案二：從采場中間向兩側(cè)逐步回采

經(jīng)過調(diào)查和分析，冬瓜山礦段的充填體強度和穩(wěn)定性較好，能夠保障高度較大采場的安全回采，從采場中間向兩側(cè)回采，具體如圖3所示，有利于對兩側(cè)穿脈巷道形成有效的保護。

圖3 二步驟采場中間向兩側(cè)回采示意圖

3)方案三：采場回采一半充填后再回采

二步驟采場兩側(cè)均為充填體，充填體具有一定的彈性，二步驟回采后頂板的位移會進一步的加大，采用該方案有利于頂板的穩(wěn)定以及對相鄰充填體形成有效支撐，具體如圖4所示。

圖4 二步驟采場回采一半充填后再回采方案示意圖

4 數(shù)值模型建立

4.1 圍巖巖石力學(xué)條件

1)原巖應(yīng)力

本文的原巖應(yīng)力數(shù)值采用現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，原巖應(yīng)力結(jié)果見表1。為模擬深部回采過程，采用中段-910 m測點的原巖應(yīng)力。

表1 原巖應(yīng)力測試結(jié)果

2)巖石力學(xué)參數(shù)

模擬中采用的礦巖及充填的力學(xué)參數(shù)均采用室內(nèi)試驗值，經(jīng)過利用Hoek-Brown[8]公式進行折減，獲取相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 冬瓜山礦體和圍巖數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

4.2 基本假設(shè)

(1)不考慮井巷工程積水、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的直接影響，忽略地震波、爆炸沖擊波等因素對巖體穩(wěn)定性的影響。

(2)假定礦體、圍巖和充填體都為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)。

(3)假定充填體是接頂?shù)模闯涮铙w與巖體之間沒有間隙。

4.3 數(shù)值模型

模擬模型取得太小容易偏離礦山開采實際，影響計算結(jié)果的可靠性；而如果取得太大，則使單元劃分太多，影響計算速度，甚至計算機無法進行計算[9]。根據(jù)本次研究對象，選擇60線區(qū)域礦體作為研究對象，并建立數(shù)值模型。

本文所建模型的尺寸X×Y×Z=900 m×400 m×1 000 m，采場模型的長度為80 m，采場寬度為18 m，采場高度根據(jù)采場的實際情況而定。采場礦體整體數(shù)值模型以及礦體模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型以及60線采場模型

5 計算結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)值模擬計算，從三種回采方案中依次選取部分模擬結(jié)果云圖，具體如圖6至圖8所示，自左到右、從上到下依次為最大(小)主應(yīng)力云圖、采場頂板(兩側(cè)充填體)位移云圖。圖9所示為方案一模擬結(jié)果應(yīng)力、位移變化圖。

圖6 方案一數(shù)值模擬回采結(jié)果云圖

圖7 方案二數(shù)值模擬回采結(jié)果云圖

圖8 方案三數(shù)值模擬回采結(jié)果云圖

圖9 方案一數(shù)值模擬結(jié)果相關(guān)應(yīng)力、位移變化趨勢圖

對于二步驟采場的主要從以下兩方面進行分析：從沿采場方面剖面圖分析最大壓應(yīng)力的變化情況，壓應(yīng)力最大位置從沿采場方向的剖面容易發(fā)現(xiàn)變化的規(guī)律；垂直于采場方向看空區(qū)兩側(cè)充填體的位移的變化規(guī)律。

1)方案一模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知，采場在初步開挖后，采場內(nèi)部礦體受到拉應(yīng)力的作用，拉應(yīng)力較小，且拉應(yīng)力范圍也不大，基本不足以破壞礦巖。最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大，最后迅速下降的趨勢，拉應(yīng)力最大值為0.5 MPa，且拉應(yīng)力范圍很小，主要位于采場礦體一側(cè)，總體看對礦巖的影響較小。從最大壓應(yīng)力的變化趨勢來看，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，由最初的37 MPa降低到回采完成后的30 MPa，表明隨著回采的不斷推進，應(yīng)力也在逐步的釋放，尤其在回采的后半段，應(yīng)力釋放的速度在提升。

從頂板的最大位移來看，頂板的位移呈現(xiàn)逐漸轉(zhuǎn)增加的趨勢，由回采初期的9.55 cm，最后增加到14.2 cm。充填體位移在初始回采時增加了1 cm，當回采至第3步后，充填體位移一直為4 cm，隨著空區(qū)暴露面積越來越大，充填體位移沒有任何的改變，因此在保證充填體強度的條件下，充填體的穩(wěn)定性較好。

2)方案二模擬結(jié)果分析

采場在從中間開始回采的過程中，空區(qū)兩側(cè)均受到一定范圍內(nèi)拉應(yīng)力的作用，但是拉應(yīng)力比較小，且范圍不大。隨著回采的不斷推進，拉應(yīng)力位置逐漸改變，回采接近完成后，空區(qū)頂板受到一定單位的拉應(yīng)力，但是拉應(yīng)力較小。最大壓應(yīng)力主要位于采場兩側(cè)底部和穿脈巷道的交界處。

空區(qū)頂板位移隨著回采的不斷推進位移量也在不斷增加。充填體位移在回采初期由于先回采中間，充填體的位移偏大，最大位移量為6 cm，隨著回采的推進，位移量到4 cm以后也不在變化。

3)方案三模擬結(jié)果分析

在采場回采一半后，拉應(yīng)力很小，僅為0.21 MPa；最大壓應(yīng)力位于未回采采場和穿脈巷道交界處的底部區(qū)域，最大壓應(yīng)力為36.4 MPa，但是范圍不大。空區(qū)頂板的最大位移為12.6 cm，空區(qū)兩側(cè)充填體最大位移為4 cm。

采場回采后充填，然后在進行回采，空區(qū)周邊基本不受到拉應(yīng)力的作用，空區(qū)周邊的最大壓應(yīng)力下降，頂板的最大位移為14.1 cm，空區(qū)兩側(cè)充填體的位移為2 cm。

從以上的分析可知，按照充填方案模擬計算后，和二步驟原來的回采方案相比，沒有明顯的差別，而且該方案需要進行兩次充填，一方面增加了封閉工程量，另外也會使充填工序更加繁瑣，因此不建議采用該方案。

4)綜合對比分析

采用從中間向兩側(cè)逐步回采時，頂板以及充填體的初始位移較大，采場空區(qū)中部區(qū)域是容易垮落的部位，因此不建議采用該方案。采用回采- 充填- 回采的方案時，盡管充填體不能夠轉(zhuǎn)移應(yīng)力，但可以有效減輕頂板和充填體的變形，因此從保護空區(qū)的角度考慮具有較好的作用，但是該方案采用兩次充填，充填工序復(fù)雜，采空區(qū)封閉工程量增加。因此，采用從采場單向側(cè)逐步回采的方案。

6 結(jié)論

綜合數(shù)值模擬計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)二步驟采場在回采過程中，應(yīng)力已經(jīng)得到釋放，基本不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，采場空區(qū)頂板沒有發(fā)生加大面積的垮落，因此可以認為頂板在可控的范圍，優(yōu)選出二步驟回采方案為單向逐步回采，安全高效。

(2)利用FLAC3D有限元模擬軟件為優(yōu)化高大采場回采方案提供理論支持，對空區(qū)垮落嚴重的礦山開采具有一定的借鑒意義。

表3 二步驟采場各回采方案的對比分析