残矿回采采场结构参数优化研究

2013-09-27许水胜陈小康

采矿技术 2013年1期

许水胜，成涌，黄敏，陈小康

（1．大冶有色金属公司铜绿山矿，湖北大冶市 435101；2．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410083；3．南昌有色冶金设计研究院，江西南昌 330031）

0 前言

采场结构参数的确定不仅与矿岩特性有关，还要考虑回采工艺方法和生产作业条件等多方面因素。过去采场结构参数的确定常采用经验类比法，但依靠经验类比法难以得出比较合理的参数，必须寻求一种更科学合理的方法来确定最佳采场结构参数。采用合理的采场结构参数是实现矿体安全高效开采及控制地压危害的重要措施。

铜绿山矿是大冶有色金属集团控股有限公司下属的主力矿山，也是全国重点铜基地之一。铜绿山矿是一个生产近50a的老矿山，生产系统均已形成且较完善。目前井下主要生产中段是－305、－365、－425m三个中段，－185m和－245m处于残矿回收状态，露采南坑已经闭坑，北坑由于需保护铜绿山古铜矿遗址的原因而处于残矿回采阶段。

本文主要研究Ⅲ号矿体－245m中段盘区5310采场的残矿矿体部分，该部分矿体属于上部已回采、下部未采的残余采场。为最大限度地回收残矿资源，从实际情况出发，对铜绿山矿残矿采场的采场结构参数进行优化设计，应在保证生产安全的前提下，最大限度地减少矿柱的数量、矿柱的尺寸以及采切成本，并最大限度地提高采矿强度和生产效率，提高企业的经济效益和社会效益。

随着计算机和软件的不断发展，数值分析方法也不断创新，并逐渐成为岩石力学研究和工程开挖计算的重要手段。本文运用三维有限元程序分析软件FLAC3D对铜绿山矿残矿矿体的采场结构参数进行了优化研究，模拟不同采场结构参数时采场顶板及围岩的应力变形情况，进而确定适合铜绿山矿残矿矿体回采的采场结构参数。

1 矿柱位置及个数确定

进行工程地质体开挖模拟时，通常先模拟出矿体围岩的初始应力状态，这样模型中的矿体就处在原岩应力场中，各个单元均存在应力，此时进行矿体开挖工程的模拟才与实际情况比较接近，并且开挖前的数值计算通常将原岩应力作用下产生的位移和速度值进行清零处理。

本文研究的是残矿矿体的回收，由于残矿回采的特殊性，整个残矿回采是在矿体面积、厚度一定的情况下进行。为了合理确定矿柱位置，本文没有按照传统等间距方式布置矿柱，因为对于一定区间内的矿体回收，采用等间距布置矿柱也并不能保证每个矿柱的位置一定合理，即不能保证各个矿柱之间的顶板变形最小且各个顶板的变形尽量相等，同样不能保证各个矿柱均匀地支撑着顶板围岩。因此，为了使矿柱的布置位置更趋合理，本文将通过数值模拟计算得出顶板围岩的最危险布置，并确定矿柱的位置及个数。

通过查阅相关文献资料，可以得出一个合理设置矿柱的方法：首先不设矿柱，对要进行开挖的矿体进行一次性全开挖，模拟出矿体围岩产生最大变形的位置，并在变形最大的围岩下设置一个或两个矿柱，这里就要结合工程现场实际情况进行确定矿柱的位置；然后保留已设置的矿柱，再一次进行模拟全开挖矿体，模拟出围岩应力、位移的分布特征，找出围岩的最大变形及可能出现拉伸破坏区域，设置矿柱；同理，找出其他各个矿柱位置，直到采场达到稳定。

（1）不设矿柱。在确定第一个矿柱位置前，首先对矿体不留矿柱进行一次性全开挖，如图1、图2所示，中间网格加密部分为残矿矿体。由图1、图2可知，顶板围岩的最大变形处出现在矿体中部，最大位移达到了1．732m，最大拉应力为3．334MPa，所以第一个矿柱应设置在最大位移处中部。考虑到矿柱尽量少留的原则，若首先只设置1个矿柱，则矿体正西方向至少需设置2个矿柱，显然这样设置矿柱并不合理。因此，第一步首先在最大位移处设置2个矿柱（初步按矿山生产经验定矿柱宽度为5m）。

图1 不设矿柱时矿体全开挖位移等值线

图2 不设矿柱时矿体全开挖最大拉应力等值线

（2）设置2条矿柱。设想在最不利的情况下进行矿体的一次性全开挖，如果能满足安全生产要求，则按正常回采顺序回采，应该更能保证其安全性。如图3、图4所示，在顶板围岩变形最大处设置2条矿柱后，顶板围岩的最大变形位置转移到了两矿柱两边暴露面的中部，且最大位移为9．056mm，最大拉应力为2．515MPa，而原最大变形处的位移由1．731m迅速减小为8．0～9．0mm。因此，在两矿柱的支撑下顶板围岩的变形迅速减小，也证明所设置矿柱位置是合理的。

图3 设置2条矿柱时矿体全开挖位移等值线

图4 设置2条矿柱时矿体全开挖最大拉应力等值线

由于所留矿柱两边顶板围岩暴露面较大，最大位移偏大，且最大拉应力大于矿体极限拉应力，顶板岩层将受拉破坏，所以需要继续设置矿柱以保证顶板围岩的稳定。同理，在已布置矿柱的正西方向暴露面的最大变形处设置另一条矿柱。

（3）设置三条矿柱。由图5～图8可知，设置3条矿柱时，顶板暴露面上的最大位移均为5．0～6．933mm，且从位移采样记录图中可以看出各个矿柱及各矿柱之间的暴露面最大位移均趋于稳定值；暴露面上的最大拉应力为2．186MPa，小于矿体的最大抗拉强度2．30MPa，且暴露面上最大拉应力只是一小区域，不会造成大破坏，所以由模拟结果可知，在3条矿柱的支撑下顶板能处于稳定状态。

图5 设置3条矿柱时位移等值线

图6 设置3条矿柱时各暴露面位移采样记录

图7 设置3条矿柱时矿柱位移采样记录

图8 设置3条矿柱时最大拉应力等值线

因此，开采5310采场矿体，设置3条矿柱能够保证顶板围岩的稳定性，且矿柱位置的确定也是合理的。3条矿柱垂直矿体走向并平行5309采场布置，如图9所示。

图9 3条矿柱布置示意

2 矿柱宽度的确定

前面矿柱的位置及个数是在假设矿柱宽度为5 m的情况下确定的，应确定更合理的矿柱宽度，以减少矿石的损失和贫化。矿山通常采用先预留矿柱，后用上向水平分层充填采矿方法采矿，即在矿柱的支撑下进行作业，由于是残矿回采，这样就涉及到矿柱宽度大小以及尽可能回采矿石的问题，因此，研究考虑不同矿柱宽度下回采采场的稳定性。

由于采用的是上向水平分层充填采矿法，要得到矿柱的合理宽度，可以研究最不理想的情况下矿柱的最优尺寸，如果在最不理想的情况下，选择的矿柱宽度能够满足安全生产的要求，那么其它情况就一定可以满足。而本研究中最不理想的情况是：3个矿柱左右两边的4个矿房每分层都一次性开挖。通过每一分层一次性开挖时位移、应力对比，得到合理的矿柱宽度。

确定矿柱个数后，保持矿柱的中心位置不变，分别选取2种矿柱宽度进行计算比较，以确定矿柱的合理尺寸。具体方案为：方案一，矿柱宽度为3m；方案二，矿柱宽度为4m。

两方案数值计算结果见表1，可知应力分布特点大致相同，最大压应力主要分布在矿柱和顶板围岩与矿体底板的接触角点；最大拉应力主要分布在采场顶板中央及矿柱与下盘围岩的接触面上。

表1 不同矿柱宽度下数值模拟结果

（1）位移分布状态比较。过量的位移将导致顶板的冒落和矿柱的跨塌。由模拟结果可知，顶板的最大位移随矿柱宽度的减小而增大，且最大位移区域主要出现在顶板中央位置，对比不同矿柱宽度下每步的开挖过程，可知两种方案的最大位移都较小，均能满足要求。

（2）顶板最大拉应力比较。对模型的数值计算结果可以看出，采场开挖以后，岩体原有的平衡状态遭到破坏，在采场周围出现位移变形和松动区，顶板暴露面中央的岩层受拉，最大拉应力随矿柱宽度增大而减小。数值模拟过程中岩层的破坏形式主要表现为拉应力破坏，而顶板所受的拉应力是影响采场稳定性的重要因素。方案二中的最大拉应力均没有达到顶板围岩的最大抗拉强度2．20MPa，方案一中只有第二步开挖最大拉应力超过顶板围岩的最大抗拉强度2．20MPa，但也仅有2．262MPa，分布区域较小，不会引起大的破坏，而且开挖是在最不理想的情况下进行，按正常回采顺序的话，应该还是能保证回采的安全性，所以方案一也能满足最大拉应力要求。

（3）矿柱最大压应力比较。矿柱的稳定性对采场顶板稳定性起着决定性的作用，通常岩体在开挖后，矿柱的受力方式由原来的三向应力状态转变为单向受力状态，而岩体破坏机制及强度理论认为矿柱中间位置最容易发生剪切破坏。矿柱一旦破坏就失去对顶板的支撑作用，从而使顶板处于悬空状态，在四周岩体作用力下被拉裂、拉断，变为简支厚岩梁，简支岩梁由于受剪切的截面积减小，而突然发生剪切冒落，即发生所谓切冒型冒落。从矿柱的最大压应力等值线图可知，矿体顶、底板与矿柱的接触角点通常是应力最大值出现的位置，说明该处对采场稳定性影响比较大，2个方案中矿柱的最大压应力均小于矿石的单轴抗压强度（27．78MPa），所以2个方案中的矿柱宽度均能保证矿柱安全。

综合以上三方面的对比分析，2个方案均能保证采场的稳定，但从矿石损失贫化方面考虑，则应尽量少留矿柱，否则将成为永久损失，所以应优选矿柱宽度为3m的方案。