杜達(dá)鉛鋅礦薄至中厚礦體回采采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化研究

何磊，熊鷹，胡清

(中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

杜達(dá)鉛鋅礦床賦存于產(chǎn)狀近南北向的兩翼不對(duì)稱(chēng)向斜地層中，向斜軸向北西以 30°傾角側(cè)伏，局部為 45°，向斜西翼發(fā)育，傾角較陡，約 50°～80°。礦化帶投影延展范圍南北方向?yàn)?100 m，向北尚未封閉；東西寬約200 m，礦體厚度為10～40 m，礦體埋深在地表以下75～1000 m。中段礦化帶的水平走向長(zhǎng)度一般在300～450 m之間，礦區(qū)地表標(biāo)高550 m。

杜達(dá)鉛鋅礦0 m中段薄至中厚礦體采用上向進(jìn)路充填采礦方法，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)按照類(lèi)比 100 m中段回采參數(shù)，設(shè)計(jì)采幅為4～6 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為50 m。在115 m分段首采段回采過(guò)程中發(fā)生上盤(pán)冒落、頂板變形等地壓?jiǎn)栴}。地下采場(chǎng)的形成使周邊一定范圍的巖體應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巖石變形、破壞和移動(dòng)，因此選取合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)非常關(guān)鍵。根據(jù)0 m中段巖性及地壓變化條件，通過(guò)數(shù)值模擬方法為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供參考[1-3]，按照采場(chǎng)“隔一采一”步驟進(jìn)行模擬計(jì)算，得到模型的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)采場(chǎng)附近應(yīng)力、位移、塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，得到優(yōu)化的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-5]。確定合理的采場(chǎng)寬度、采場(chǎng)長(zhǎng)度，對(duì)杜達(dá)鉛鋅礦進(jìn)行安全高效回采具有重要的意義。

1 數(shù)值模擬方案

1.1 對(duì)比分析方案

根據(jù)杜達(dá)鉛鋅礦薄至中厚礦體采礦方法設(shè)計(jì)，沿礦體走向每 30～50 m 劃分為一個(gè)礦塊。采場(chǎng)長(zhǎng)即為礦塊長(zhǎng)，采場(chǎng)寬為礦體的水平厚度，采場(chǎng)高為中段高度，底柱高7 m，不留頂柱和間柱。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比分析模擬方案詳見(jiàn)表1。

表1 薄至中厚礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬對(duì)比方案

薄至中厚礦體數(shù)值模擬步驟：根據(jù)薄至中厚礦體賦存情況，首先分別對(duì) Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)設(shè)計(jì)4 m和6 m兩種采場(chǎng)寬度，采場(chǎng)長(zhǎng)度初步設(shè)定為30 m，對(duì)比分析方案1、方案2的采場(chǎng)穩(wěn)定性狀況，以獲得薄至中厚礦體開(kāi)采時(shí)最佳的采場(chǎng)寬度B薄至中厚。結(jié)合得到的最佳采場(chǎng)寬度B薄至中厚，分別對(duì)Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)設(shè)計(jì)30，40，50 m三種采場(chǎng)長(zhǎng)度，對(duì)比方案3、方案4和方案5的采場(chǎng)穩(wěn)定性狀況，最終獲得薄至中厚礦體開(kāi)采時(shí)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中另外一個(gè)參數(shù)，即最佳的采場(chǎng)長(zhǎng)度L薄至中厚。

1.2 數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算是以網(wǎng)格化的單元為基本計(jì)算單元，綜合考慮巖土材料的本構(gòu)特性、連續(xù)介質(zhì)的連續(xù)特性及邊界條件等，計(jì)算得到模型的力學(xué)響應(yīng)。因此，在對(duì)采場(chǎng)整體穩(wěn)定性分析之前必須先對(duì)已建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理[6-8]。圖1為網(wǎng)格化的三維數(shù)值模型，該模型尺寸為 350 mm×190 mm×320 mm，由275 175個(gè)節(jié)點(diǎn)、259 200個(gè)四面體單元組成。

圖1 三維數(shù)值模型

2 薄至中厚礦體采場(chǎng)寬度分析

2.1 采場(chǎng)寬度應(yīng)力分析

根據(jù)杜達(dá)鉛鋅礦0 m中段采場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布特征分別如圖2和圖3所示，垂直走向最大主應(yīng)力分布特征如圖4所示。

圖2 Py-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布

圖3 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布

圖4 垂直走向最大主應(yīng)力分布

采場(chǎng)回采后，周邊圍巖應(yīng)力重新分布，頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。對(duì)比方案1和方案2最大主應(yīng)力可知，當(dāng)采場(chǎng)寬度達(dá)到6 m時(shí)，采場(chǎng)頂板中間位置出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力集中，Py-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力集中最大值為2.1 MPa，Zn-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力集中最大值為0.5 MPa；當(dāng)采場(chǎng)寬度為4 m時(shí)，Py-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力減小為 0.8 MPa，Zn-Zone采場(chǎng)應(yīng)力集中不明顯?？傮w來(lái)說(shuō)，6 m采場(chǎng)寬度時(shí)采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力集中較明顯，穩(wěn)定性大幅降低，采場(chǎng)頂板極易受拉發(fā)生破壞。

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的最小主應(yīng)力分布進(jìn)行分析，各方案采場(chǎng)周?chē)鷫簯?yīng)力集中不明顯，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響不大，差別也不明顯。

2.2 采場(chǎng)寬度位移分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)沿走向位移分布特征分別如圖5和圖6所示，垂直走向位移分布特征如圖7所示。

圖5 Py-Zone采場(chǎng)沿走向豎向位移分布

圖6 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向豎向位移分布

圖7 垂直走向豎向位移分布

采場(chǎng)回采后，頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同程度的豎向位移。方案1采場(chǎng)寬度為4 m時(shí)，Py-Zone采場(chǎng)頂板向下沉降，最大值為5 mm，Zn-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為2 mm。方案2采場(chǎng)寬度為 6 m時(shí)，Py-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為7 mm，Zn-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為4 mm。

對(duì)比方案1和方案2豎向位移可知，采場(chǎng)頂板豎向位移在2～7 mm范圍內(nèi)，相對(duì)較小。總體來(lái)說(shuō)，6 m采場(chǎng)寬度時(shí)的采場(chǎng)頂板沉降較4 m采場(chǎng)明顯，穩(wěn)定性有所降低。

2.3 采場(chǎng)寬度塑性區(qū)分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone 采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布特征分別如圖8和圖9所示，垂直走向塑性區(qū)分布特征如圖10所示。

圖8 Py-Zone采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布

圖9 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布

圖10 垂直走向塑性區(qū)分布

對(duì)比方案1和方案2塑性區(qū)可知，當(dāng)方案2中采場(chǎng)寬度達(dá)到6 m時(shí)，Zn-Zone采場(chǎng)頂板靠近下盤(pán)圍巖處出現(xiàn)了貫通性的塑性破壞，破壞范圍達(dá)到了30%，而方案1中采場(chǎng)寬度為4 m時(shí)，不論是Py-Zone采場(chǎng)還是Zn-Zone采場(chǎng)，頂板圍巖均無(wú)明顯的塑性破壞特征。因此，6 m采場(chǎng)寬度相比4 m采場(chǎng)寬度，采場(chǎng)穩(wěn)定性大幅降低。

綜上所述，根據(jù)薄至中厚礦體4 m、6 m兩種不同采場(chǎng)寬度下采場(chǎng)附近應(yīng)力、位移、塑性區(qū)對(duì)比分析結(jié)果，薄至中厚礦體的最佳采場(chǎng)寬度B薄至中厚應(yīng)控制在6 m以下，B薄至中厚=4 m較為適宜。

3 薄至中厚礦體采場(chǎng)長(zhǎng)度分析

3.1 采場(chǎng)長(zhǎng)度應(yīng)力分析

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果，確定了薄至中厚礦體最佳采場(chǎng)寬度為4 m，所以方案3中采場(chǎng)長(zhǎng)度和寬度分別為30 m和4 m時(shí)，與方案1的模擬結(jié)果相同。方案4和方案5中Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布特征分別如圖11和圖12所示。

圖11 Py-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布

圖12 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向最大主應(yīng)力分布

采場(chǎng)回采后，方案4采場(chǎng)長(zhǎng)度為40 m時(shí)，Py-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力最大值為1 MPa，Zn-Zone采場(chǎng)頂?shù)装鍛?yīng)力集中不明顯。方案5采場(chǎng)長(zhǎng)度達(dá)到50 m時(shí)，Py-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力最大值為1.5 MPa，Zn-Zone采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力最大值為0.3 MPa。

對(duì)比方案3、方案4和方案5最大主應(yīng)力可知，Py-Zone采場(chǎng)長(zhǎng)度由30 m增加到40 m時(shí)，頂板中間位置拉應(yīng)力最大值由0.8 MPa變?yōu)? MPa，而采場(chǎng)長(zhǎng)度由40 m增加至50 m時(shí)，頂板中間位置拉應(yīng)力增至1.5 MPa，增幅較大。Zn-Zone采場(chǎng)長(zhǎng)度增至50 m時(shí)，頂板也出現(xiàn)一定程度的拉應(yīng)力集中，但較Py-Zone采場(chǎng)相比程度較輕?？傮w來(lái)說(shuō)，50 m采場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力集中明顯開(kāi)始驟增，穩(wěn)定性大幅降低，采場(chǎng)頂板極易受拉發(fā)生破壞，而30 m和40 m采場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)力集中增幅較小。

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的最小主應(yīng)力分布進(jìn)行分析，各方案采場(chǎng)應(yīng)力集中均不明顯，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響不大，差別也不明顯。

3.2 采場(chǎng)長(zhǎng)度位移分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，方案4和方案5中Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)沿走向豎向位移分布特征分別如圖13和圖14所示。

圖13 Py-Zone采場(chǎng)沿走向豎向位移分布

圖14 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向豎向位移分布

采場(chǎng)回采后，頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同程度的豎向位移。方案4中Py-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為6 mm，Zn-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為4 mm。方案5中Py-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為8 mm，Zn-Zone采場(chǎng)頂板沉降最大值為5 mm。

對(duì)比方案3、方案4和方案5豎向位移計(jì)算結(jié)果可知，采場(chǎng)長(zhǎng)度由30 m增加至50 m時(shí)，頂板豎向位移逐步增大，總體在4～8 mm范圍內(nèi)，位移均比較小?？傮w來(lái)說(shuō)，采場(chǎng)長(zhǎng)度50 m時(shí)采場(chǎng)頂板沉降較30 m和40 m采場(chǎng)明顯，穩(wěn)定性有所降低。

3.3 采場(chǎng)長(zhǎng)度塑性區(qū)分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，方案 4和方案 5中 Py-Zone、Zn-Zone采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布特征分別如圖15和圖16所示。

圖15 Py-Zone采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布

圖16 Zn-Zone采場(chǎng)沿走向塑性區(qū)分布

對(duì)比方案3、方案4和方案5塑性區(qū)分布情況可知，3個(gè)方案中Py-Zone采場(chǎng)附近均未出現(xiàn)明顯塑性破壞，薄至中厚礦體采場(chǎng)長(zhǎng)度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響不顯著；但在Zn-Zone不同采場(chǎng)長(zhǎng)度的采場(chǎng)頂板出現(xiàn)了間斷性的塑性破壞（除30 m長(zhǎng)度采場(chǎng)外），隨著采場(chǎng)長(zhǎng)度的增加，破壞范圍有些許的增加，采場(chǎng)長(zhǎng)度40 m時(shí)塑性區(qū)破壞區(qū)域約7%（其中貫通性塑性破壞約5%），采場(chǎng)長(zhǎng)度50 m時(shí)塑性區(qū)破壞區(qū)域約10%（其中貫通性塑性破壞約8%）。

綜合薄至中厚礦體30 m、40 m、50 m三種不同采場(chǎng)長(zhǎng)度下采場(chǎng)附近應(yīng)力、位移、塑性區(qū)對(duì)比分析結(jié)果，薄至中厚礦體的最佳采場(chǎng)長(zhǎng)度L薄至中厚應(yīng)控制在40 m以下，最大L薄至中厚=40 m為宜。

4 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)首采段采場(chǎng)進(jìn)路的實(shí)際情況與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)0 m中段薄至中厚礦體的采場(chǎng)進(jìn)路參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，即薄礦體一次采全厚，中厚礦體由原6 m設(shè)計(jì)采幅調(diào)整為4 m，進(jìn)路高度控制在3.5～3.7 m，采準(zhǔn)布置由原50 m調(diào)整為40 m，接頂率不理想時(shí)，相鄰回采進(jìn)路適當(dāng)留設(shè)間柱。

經(jīng)0 m中段15 m分段首采盤(pán)區(qū)2至6號(hào)回采進(jìn)路的試驗(yàn)表明，在不大于4 m的采幅條件下，6～10 m厚度的礦體順序回采兩條進(jìn)路，10～15 m中厚礦體采用“隔一采一”回采順序，臨上盤(pán)回采進(jìn)路采用錨網(wǎng)噴支護(hù)上盤(pán)，回采進(jìn)路在整個(gè)采礦周期保持了穩(wěn)定，驗(yàn)證了上述采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

5 結(jié)論

根據(jù)杜達(dá)鉛鋅礦礦巖條件建立數(shù)值模擬，通過(guò)不同采場(chǎng)長(zhǎng)度、采場(chǎng)寬度參數(shù)進(jìn)行模擬分析，獲得采場(chǎng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)工程驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期效果，研究結(jié)論如下。

（1）杜達(dá)鉛鋅礦薄至中厚礦體的最佳采場(chǎng)寬度應(yīng)控制在6 m以下，取4 m較為適宜；薄至中厚礦體最佳采場(chǎng)長(zhǎng)度應(yīng)控制在50 m以下，取40 m為宜。

（2）杜達(dá)鉛鋅礦0 m中段15 m分段將采礦進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整為采幅4 m，高度控制為3.5～3.7 m，回采進(jìn)路由采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷向兩側(cè)推進(jìn)，總長(zhǎng)度控制在40 m內(nèi)，采場(chǎng)進(jìn)路保持穩(wěn)定。