覃慶韓 郭澤洋 韋 峰

（1.廣西華錫礦業(yè)有限公司銅坑礦業(yè)分公司；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司）

銅坑礦92#礦體為特大型緩傾斜錫多金屬礦體，早期按100 m 間距的勘探線劃分盤區(qū)，分區(qū)回采，并預(yù)留盤區(qū)之間的礦柱。開采后期，對于蘊(yùn)藏有大量優(yōu)質(zhì)資源的盤區(qū)礦柱需要全面回收，因面臨復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，且礦巖結(jié)構(gòu)非常破碎，因此，如何實(shí)現(xiàn)盤區(qū)礦柱的安全高效回收一直以來都是制約礦山安全生產(chǎn)的一大難題［1］。針對這一難題，很多學(xué)者開展了研究探索，陳何等［2］應(yīng)用束狀大直徑深孔爆破技術(shù)，對92#礦柱群的回采展開研究，取得了較好的效果；袁本勝等［3］通過聲發(fā)射技術(shù)，在礦柱群回采過程中進(jìn)行地壓活動檢測，統(tǒng)計(jì)得出了采場應(yīng)力場與聲發(fā)射活動頻度之間的相關(guān)關(guān)系；張紹國［4］通過預(yù)裂爆破與分段鑿巖和底部出礦的優(yōu)化改進(jìn)方案，順利采出礦柱礦石31.05萬t，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

從礦山整體安全角度考慮，回采順序在盤區(qū)礦柱安全回采中具有十分重要的意義，直接影響礦山整體的應(yīng)力分布與位移變形。FLAC3D作為一種大型有限元非線性分析軟件，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，尤其在礦山領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用與認(rèn)可［5-7］?；诖耍疚氖褂肍LAC3D軟件，對銅坑礦破碎盤區(qū)礦柱群的回采順序進(jìn)行模擬研究，為礦山最優(yōu)回采順序的選擇提供科學(xué)參考。

1 工程概況

銅坑礦業(yè)分公司隸屬于廣西華錫礦業(yè)有限公司，是集團(tuán)公司主要原材料的生產(chǎn)基地，其開采的主要礦體從上至下依次為細(xì)脈帶礦體、91#和92#礦體，在豎直方向呈立體重疊產(chǎn)出。礦床受倒轉(zhuǎn)背斜和與之大致平行的次級隱伏背斜以及軸向近東西向的短軸背斜復(fù)式傾伏端所控制［8］。92#礦體西走向長680 m，南北傾向長830 m，傾角15°～25°，最大厚度71 m，平均厚度22 m。

統(tǒng)計(jì)92#礦體各區(qū)段礦巖力學(xué)性質(zhì)、主要節(jié)理組及產(chǎn)狀、節(jié)理密度等因素，結(jié)合Q值法質(zhì)量評價(jià)，賦礦巖體屬中等穩(wěn)固，礦體裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性差。92#礦體開采范圍約1 km2，按主要勘探線自東向西劃分為7個(gè)盤區(qū)開采，設(shè)計(jì)盤區(qū)寬度100 m，盤區(qū)之間預(yù)留盤區(qū)礦柱寬25 m。目前各盤區(qū)主要礦塊回采完畢。由于前期采取部分崩落頂板和部分嗣后充填處理采空區(qū)的方式開采，造成盤區(qū)礦柱群大部分礦體和圍巖受壓破碎，礦柱周圍充填體和崩落體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其在深部中段回采，面臨高地應(yīng)力和結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境，盤區(qū)礦柱群回采十分困難，目前仍有大量礦柱的優(yōu)質(zhì)資源亟待回收。受礦體局部重疊的影響，盤區(qū)礦柱在回采時(shí)應(yīng)力集中明顯，因此通過三維數(shù)值模擬分析，掌握巖體應(yīng)力時(shí)空分布特征與地應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，進(jìn)行開采方案和回采順序的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)深部資源高效協(xié)同開采。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

本次建立的數(shù)值模型需要考慮礦山的實(shí)際開采狀況，對礦區(qū)整體建模，包括細(xì)脈帶礦體、91#和92#礦體，采用FLAC3D三維有限元模擬方法對開采現(xiàn)狀及下步開采情況進(jìn)行分析，確定出最優(yōu)回采順序。

用前處理軟件進(jìn)行外部建模。根據(jù)采區(qū)圍巖、采充現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，建立整體模型。模型范圍X=0～1 504.75（共1 504.75 m，為沿礦體東西方向），Y=0～2 123.55（共計(jì)2 123.55 m，為沿礦床南北方向），Z=0至地面，共劃分176.2萬個(gè)三角形網(wǎng)格，模型如圖1所示。

建模過程中的邊界條件和初始條件如下：

（1）模型底部采用固定約束，約束三向位移，四周采用水平位移約束，固定軸向位移，模型最頂部為自由面。

（2）在Y軸負(fù)方向施加重力加速度，大小為9.81 m/s2。

（3）根據(jù)前期在405 m 水平原巖應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果，σ1＝25.4 MPa，水平方向；σ2＝17.1 MPa，水平方向；σ3＝7.3MPa，豎直方向。采用有限元模擬分析時(shí)，豎直方向的應(yīng)力仍按巖層的自重計(jì)算，水平方向的2個(gè)應(yīng)力則通過側(cè)向系數(shù)的形式表達(dá)，側(cè)壓系數(shù)分別為3.0 和2.8，參照深部地應(yīng)力實(shí)際測量結(jié)果，隨著深度增加，側(cè)壓系數(shù)逐步減小。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山工程地質(zhì)特征，經(jīng)歸類工程處理后考慮7種力學(xué)介質(zhì)，即泥灰?guī)r、大扁豆灰?guī)r、細(xì)脈帶硅質(zhì)巖、小扁豆灰?guī)r、寬條帶灰?guī)r、礦體、充填體，綜合選取巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。礦圍巖、礦體、充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 模擬方案

92#礦體的盤區(qū)礦柱群目前有數(shù)百萬噸高價(jià)值礦石資源待回收，選取四盤區(qū)礦柱為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行模擬分析，為下一步盤區(qū)礦柱群回收提供參考，各礦塊的位置及形態(tài)如圖2 所示。為便于試驗(yàn)區(qū)域礦體回收，減小試驗(yàn)區(qū)域上部松散體的影響，擬定3 種回采順序方案進(jìn)行模擬分析，方案一：先偏中心切割，接著回深部邊緣礦塊，最后按順序后退回采，即按照Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ礦塊的順序；方案二：按照自下而上（自北至南）順序，即按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ礦塊的順序；方案三：按照自上而下（自南至北）順序，即按Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ礦塊的順序。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 各方案最大應(yīng)力對比分析

不同回采方案中，各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束后應(yīng)力場都重新分布且發(fā)生變化，由圖3 和圖4 可以看出，方案二和方案三各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束后采空區(qū)頂板最大主應(yīng)力在1.15 MPa 左右，方案一中試驗(yàn)礦塊Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ回采結(jié)束后采空區(qū)應(yīng)力較小，回采試驗(yàn)礦塊Ⅳ、Ⅴ時(shí)應(yīng)力增大。從最大主應(yīng)力角度分析，方案一按照Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ的順序回采應(yīng)力較小。

3.2 各方案最小主應(yīng)力對比分析

通過提取各方案不同試驗(yàn)礦塊回采階段采空區(qū)的最小主應(yīng)力值，得到最小主應(yīng)力對比曲線如圖5所示，方案一最小主應(yīng)力的極值在40 MPa左右，方案二和方案三的最小主應(yīng)力極值在55 MPa 左右，方案二和方案三在局部很容易發(fā)生壓應(yīng)力破壞。對比3 條曲線，方案一整體的最小主應(yīng)力值較方案二和方案三要小，說明方案一在回采階段采空區(qū)更穩(wěn)定。

3.3 各方案位移對比分析

圖6 為不同方案各試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板的最大位移曲線圖，可以看出，方案一各試驗(yàn)礦塊回采結(jié)束采空區(qū)的位移在3個(gè)方案中處于較低的水平，試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板最大位移在18.72 cm左右，方案二和方案三試驗(yàn)礦塊采空區(qū)頂板最大位移分別在25 cm 和23 cm 左右。從位移角度分析，方案一最大位移最小。

3.4 綜合分析

根據(jù)模擬結(jié)果綜合各項(xiàng)指標(biāo)考慮，最終確定的回采順序?yàn)榉桨敢唬窗凑铡跋绕行那懈钤倩夭缮畈窟吘壍V塊然后按順序后退回采”的礦塊順序進(jìn)行回采。為了防止施工中破碎礦柱和充填體的片落，模擬了首采礦塊在盤區(qū)礦柱一側(cè)預(yù)留3 m和5 m礦柱的力學(xué)環(huán)境，分析結(jié)果為，預(yù)留5 m 邊柱的方案整體上從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)角度優(yōu)于預(yù)留3 m 邊柱的方案。因此優(yōu)先推薦礦柱回采施工中邊部預(yù)留5 m 邊柱，為鑿巖、爆破施工提供安全保障?；夭蛇^程中采用應(yīng)力與圍巖監(jiān)測及微震監(jiān)測等手段監(jiān)測礦柱與圍巖穩(wěn)定性，實(shí)施安全回采。

4 結(jié)論

（1）通過對3 種回采方案中最大、最小主應(yīng)力和位移分析，采取方案一，即先偏中心切割再回采深部邊緣礦塊然后按后退式回采的順序，相比其他方案，其采空區(qū)頂板的位移量最小，頂板所受拉應(yīng)力較小，回采過程最為安全可靠。

（2）分析了首采礦塊預(yù)留邊柱可有效避免應(yīng)力集中情況的發(fā)生，可增加回采過程巖體的穩(wěn)定性，即首采礦塊預(yù)留5 m 邊柱，再切割偏中心的礦塊，然后采用后退式順序回采，及時(shí)充填已回采的礦塊，并采用微震監(jiān)測等手段監(jiān)測礦柱與圍巖穩(wěn)定性。提供現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，分階段實(shí)施盤區(qū)礦柱的安全高效回采，取得了良好的回采效果。

（3）通過研究，解決了深部資源回收面臨的高地應(yīng)力破碎盤區(qū)柱安全精準(zhǔn)開采的技術(shù)難題，可進(jìn)一步推進(jìn)礦山數(shù)字化和智能化協(xié)同開采建設(shè)進(jìn)程。