李朝军



凤凰山银矿急倾斜薄矿体安全高效开采技术研究

李朝军

(广西桂物爆破工程有限公司，广西 南宁 530200)

广西大部分金属矿山采用浅孔留矿法回采，已无法满足矿山生产效率高、劳动强低、安全可靠的可持续发展要求，迫切需要对浅孔留矿法进行技术改造，以提高矿山机械化装备水平和劳动生产率。根据凤凰山银矿急倾斜薄矿体的储存条件和矿山生产实际，提出适合急倾斜薄矿体的安全、高效率、低成本的开采技术—分段空场嗣后充填采矿法，结合3Dmine、ANSYS建立FLAC3D数值模型，采用FLAC3D对采场结构参数进行优化并开展了工业试验，取得采场生产能力180 t/d、损失率7.40%、贫化率14.96%的预期效果。

急倾斜薄矿体；分段空场嗣后充填采矿法；结构参数；数值模拟；工业试验

1 采矿方法改造方案

分段空场嗣后充填采矿法沿走向布置矿块，矿块长为50 m，宽为矿体厚度，高为50 m，一般划分为2～3个分段，高度为14～20 m。采准工程在阶段运输巷道完成后，向矿体掘进装矿进路、天井联络道、天井；在矿体底部布置拉底巷道，沿矿体走向布置分段凿岩平巷，切割天井布置在矿块中央，出矿采用铲运机，二次破碎在出矿进路。矿房回采后，根据情况回收矿柱，并采用废石充填采空区。典型方案如图1所示。

2 回采顺序及结构参数优化

2.1 围岩和矿体的物理力学参数

根据矿山实测和地质资料得到的围岩和矿体的物理力学参数如表1所示。

2.2 几何模型尺寸

为完全模拟开采过程，以矿山提供的地质地形图、各阶段实测平面图经3DMine、ANSYS处理后得到如图2所示的FLAC3D模拟分析模型。采场内结构参数优化模型单元为226200个，节点为924001个。

试验采场选取在180 m中段，本计算模型边界应力取值[1-3]：

式中，为水平方向的边界应力，为自重应力，为侧压系数，为容重，H为深度。

采场内结构参数优化计算模型范围=500 m(垂直矿体走向方向)，=0 m水平到地面高度(FLAC3D)，= 1260 m(沿矿体走向方向)(FLAC3D)。

2.3 模拟结果及分析

矿体开采后形成的空间破坏了原来平衡状态导致应力重新分布，在二次平衡过程中原岩对采场或采空区围岩及矿柱施加的载荷引起了采场上盘、间柱变形、移动或破坏。严重的地压显现不仅会恶化采矿活动的条件，影响生产，甚至还会危及安全[4-10]。

为研究凤凰山银矿地下开采过程中采场地压的分布及其显现规律而开展本次模拟，模型方案与模拟步骤见表2。一方面以矿山具体开采条件为依据，探索出一些措施控制采场上盘岩层稳定、矿柱稳定，避免大规模剧烈地压显现，将采场地压对安生生产的影响控制在容许范围内；另一方面根据采场地压的分布和转移规律，研究出一种高效、低成本、损失和贫化小、经济效益好的开采方案[11-14]。

表1 矿岩力学参数

图2 采场结构参数优化FLAC3D模拟分析模型

表2 采场结构参数优化模拟方案与模拟步骤

(1) 间柱应力分析。各个方案回采完成之后间柱最大主应力值如表3所示。

从表3可知，随着间柱宽度的减小，间柱中的最大应力值随之增加。但在间柱参数相同，改变顶柱参数时应力变化较小，说明顶柱参数对间柱应力影响较小；10 m与8 m间柱的最大主应力值较为接近，6 m间柱最大主应力极值最高达22.21 MPa，比10 m与8 m间柱中的最大主应力极值大17%~27%。故从最大主应力值应力考虑，应在10 m与8 m之间选取一最佳间柱参数。

(2) 间柱塑性区分析。抗拉破坏是间柱和顶柱出现塑性破坏的主要形式，而拉伸破坏和剪切破坏是矿柱两壁出现塑性破坏的两种主要形式；随间柱参数减小，间柱塑性破坏区域有不断增大甚至出现完全破坏的趋势，判断矿柱完全失稳不能只看塑性区分布状况，残余应力也有可能来自存在塑性区的矿柱，此时存在塑性区的矿柱并没有完全失去承载作用。为增加矿柱的侧压、改善间柱受力状态，可以采用废石充填从而增加矿柱承载能力。

表4可以看出，塑性区体积值较为接近的间柱参数值为10 m和8 m，而塑性破坏区偏高的间柱参数值为6 m，为保证采场与矿区的整体稳定性，应在10 m与8 m间柱之间选取合适的参数。

(3) 顶柱应力分析。从表5可知，间柱的宽度对顶柱应力影响很大，随着间柱宽度的减小顶柱上最大主应力激增，10 m间柱6 m顶柱方案中，顶柱最大主应力值为11.91 MPa，而6 m间柱6 m顶柱方案中，顶柱最大主应力值为13.15 MPa，后者比前者高10.4%；而间柱宽度相同时，顶柱宽度的减小也使顶柱的最大主应力增大，但增幅相对较小。这说明在采场中上盘岩层转移的大部分压力由间柱承受，而顶柱承受的压力较小；顶柱承受的压力与间柱参数的关系较大，在选取顶柱的过程中应充分考间柱参数。

顶柱拉应力主要分布在顶柱的中间部位，从表6可知，相同顶柱条件下，随着间柱宽度的减少顶柱拉应力激增，如10 m间柱6 m顶柱方案中，顶柱拉应力值为0.021 MPa，而8 m间柱6 m顶柱方案中，顶柱拉应力值增大到0.203 MPa，而6 m间柱6 m顶柱方案中，顶柱拉应力值高达0.346 MPa，8 m方案的拉应力为10 m方案的10倍，6 m方案的拉应力为10 m方案的15倍。顶柱应力分布大小受到间柱大小的影响，随着间柱参数减小顶柱拉应力会有大幅升高，由此可知，在采场上盘岩层转移的大部分应力都由间柱承受，而顶柱只承受了小部分的应力，在选取顶柱参数时应考虑到间柱参数的影响。根据分析结果，选取8 m间柱6 m顶柱为试验采场的结构参数。

表3 各个方案回采完成之后间柱最大主应力值/MPa

表4 回采完成之后的塑性区/102 m3

表5 顶柱最大主应力值/MPa

表6 顶柱拉应力值/MPa

3 采场工业试验

3.1 采场概况

0-1试验采场位于180中段西部0线与1线之间。矿体储存于F1断裂破碎带靠下断面内侧，单体大脉状，走向332°，倾向南南西，倾角75°，块段面积1816.77 m2。矿体平均真厚度3.82 m，平均水平厚度4.88 m，平均银品位672 g/t。矿石主要呈灰黑色，碎裂结构，角砾状、脉状穿插构造。矿层及其顶底板岩体质量一般，稳固中等，岩石强度较弱，稳定性中等。局部地段节理、次级断层发育，局部沿结构面充填大量泥质，在开采过程中易发生崩塌、片帮现象，应予以注意，采场水文地质条件简单。

3.2 试验结果

试验过程历时4个月，完成采切工程量386 m，采出矿石21683 t。整个试验各项工作都能顺利开展，新采矿工艺的试验数据见表7。

表7 试验采场主要经济技术指标统

(1) 通过工业试验，提升了生产能力，增大了安全可靠性，降低了采矿成本，矿石损失贫化低等。

(2) 整个回采过程中采场无大规模地压突变现象发生，但需要注意的是对矿体顶板不稳固区域进行 锚固。

(3) 试验过程历时4个月，完成采切工程量386 m，采出矿石21683 t，回采平均生产能力为180 t/d，矿石损失率为7.40%，贫化率为14.96%，达到了试验预期要求。

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(2018−10−20)

李朝军(1990—)，男，广西百色人，研究生，主要从事矿山采矿、爆破、安全等工作，Email: 632726012@qq. com。