“三软”条件下金矿采场结构参数优化研究

2020-04-25马振乾池恩安赵明生陈安民

中国矿业 2020年4期

陈晖，王腾，马振乾,，池恩安,，赵明生,，陈安民

(1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵州贵阳 550002；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；3.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025)

“三软”矿体是指在开采过程中矿体的顶板、底板以及矿层都为软岩；一般情况下，具有“三软”特性的矿体在开采过程中极容易发生顶板冒落或坍塌事故，“三软”矿体是难采矿体[1-2]的典型。采场结构的稳定性问题是一个较为复杂的系统工程问题，它不仅与矿体的赋存条件、矿岩力学特性、采场暴露面积以及开采方法、顶板支护管理等采矿地质条件有关，而且与上覆岩层载荷、类型等密切相关。这些影响因素难以量化分析，导致采场结构参数的研究工作困难重重。地下采场主要由顶板与矿柱组成，一旦顶板、矿柱处于失稳状态或发生破坏，就会给采场造成严重的灾害。因此,研究采场的稳定性主要是分析采场中顶板、矿柱的稳定状态。针对此类问题，国内外学者进行了大量的研究工作[3-9]，取得了不错的效果。BUTT等[10]针对复杂采场顶板稳定性的研究难题，以岩石梁理论为基础，结合现场调查，分析了该条件下采场顶板的稳定性，为采场的生产管理及地压控制提供理论参考；赵伏军等[11]采用薄板理论，以进路式采矿法回采矿柱为研究对象，计算分析采场顶板的稳定性，确定了采场顶板的主要危险位置，并提出了合理的支护措施；徐文彬等[12]针对和睦山铁矿采场矿柱的稳定性研究问题，综合普氏拱理论、结构梁理论以及厚跨比法，分析了该采矿方法下采场失稳破坏变化规律，并讨论了19#矿房发生垮塌的原因;徐东强等[13]将块体理论应用于采场顶板稳定性研究，为回采方案设计提供依据。

本文在分析贵州某金矿工程地质资料的基础上，开展采场结构参数优化研究，不仅可以有效解决金矿目前开采过程中的困难，而且可以在保证安全的前提下提高资源回采率，达到安全与经济的有效平衡。研究结果对金矿实现开采安全保障和有效提高经济效益，以及矿山企业的长久发展具有重大的现实意义，还可以为类似“三软”条件下金矿的采矿设计及理论分析提供参考依据。

1 工程地质概况

贵州某黄金矿山位于黔西南山区，地处贞丰、册亨、望谟三县交界处的北盘江西侧，井田面积达1.284 3 km2。矿体顶板以砂岩、黏土岩为主，其中黏土岩的岩体质量属于Ⅳ～Ⅴ类，松散、比较破碎，质量属于坏～差，遇水易软化，易导致采场垮塌，开挖后基本没有自稳定能力；砂岩则相对较好，岩体质量属于Ⅲ～Ⅳ类，属于差～中等，稳定性一般。矿体位于砂岩-黏土岩的断裂破碎带中，与破碎的围岩基本相同，甚至比围岩更为松散破碎，在地下采矿过程中极易发生冒顶事故，因此该金矿矿体属于典型的“三软”难采矿体。

目前，矿山采用的是上向水平分层进路胶结充填采矿法，该方法能够保证在破碎矿岩中开采的安全，但是在应用过程中会遇到以下主要问题：①回采巷支护过度，导致采矿成本比较高，矿山经济效益低下；②上向开采时，采场充填接顶困难，顶板与充填体接触不完整，上一分层开采时危险性高；③每次开采后，都需要进行锚喷联合支护，采矿工艺复杂，生产效率低，采场生产能力小；④进路式开采是独头巷道掘进，存在采场通风条件差等问题。

为了解决上述问题，构建了基于未确知测度理论的采矿方法优选模型，结合数值计算，最终确定采用下向中深孔落矿嗣后充填法进行开采，如图1所示，该方法可以有效解决目前开采过程中遇到的问题，扩大矿山生产能力，提高经济效益。

图1 采矿方法示意图Fig.1 Schematic diagram of mining method

2 采场结构参数优化

采场结构参数优化是采矿设计中非常重要的环节，合理的采场结构参数是矿山企业实现安全、高效、经济开采的关键。传统的优化方法难以考虑众多的定量与定性因素，导致选取的结构参数往往比较保守，造成资源浪费。随着数值模拟技术的快速发展，将其应用于采场结构参数优化，取得了良好的效果。本文利用FLAC3D数值模拟软件，对下向中深孔落矿嗣后充填法的采场结构参数进行模拟优化，以期得出最合理的参数。

2.1 数值模型

建立合理的矿体力学模型是后续数值模拟的关键，考虑边界效应，所建模型是采场大小的3倍，矿体沿走向长310 m，模型直达地表，矿层厚度7.05 m，倾角约为 37°。根据矿体赋存条件建立矿层和围岩的数值模型，顶底板以薄至中厚层砂岩与薄层黏土岩为主，模型上部为地表，边界约束模型底部限制垂直与水平移动，上部岩层的载荷为岩层自重力，4个侧面上的侧压系数由程序按泊松比自动计算出来。对于主要研究对象采用高精度单元离散模型网格化，为了提高单元体的连续性和时效性，距离矿体较远的围岩采用精度较低的单元体。开挖前，整个模型共有单元31 200个，节点总数35 879个。模型初始单元网格见图2。

根据该金矿的工程地质条件以及矿体赋存条件，矿体属于微细粒浸染型矿床，矿体的顶板、底板与矿层区别并不明显，因此现场选取能代表矿岩特征的岩石试件，开展岩石力学实验。矿床开采过程中，采空区上方岩石应力状态由三向受压转为单向拉应力状态，岩石内部裂隙因采矿活动贯通，形成岩体薄弱面，更加容易破坏。岩体参数工程化处理主要方法有弹性波法、M.Georgi法、系数换算法等，本文应用常用的岩石力学参数工程化弹性波法，得到合理的岩体力学参数计算所用参数。弹性模量取岩石的1/3，充填体的力学参数参照类似矿山，最终得出数值模型中岩石物理力学参数，见表1。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

表1 岩体力学和充填体物理力学参数Table 1 Results of rock mechanics and filling parameters

2.2 模拟方案

根据矿体特征以及矿山目前生产经验，采用下向中深孔落矿嗣后充填法时，采场沿走向布置长度为100 m。在既定的采场长度下，影响采场稳定性的主要因素是采场宽度、高度的大小。结合中深孔爆破的特点和同类矿山生产实际经验等，初步选定采场宽度在4～5 m范围内，高度在13～15 m范围内，采场长度为100 m。

2.3 模拟结果分析

由图3可知，顶板最大位移2.62 mm，小于顶板容许极限下沉量40 mm；最大主应力、最小主应力都表现为压应力，分别为5.49 MPa、1.95 MPa，小于岩体的抗压强度为18.19 MPa；采场顶板出现小范围的塑性区，未显示发生拉伸破坏。由此可知，在既定条件下采场是稳定的。由图4可知，顶板最大位移12.62 mm，小于顶板容许极限下沉量40 mm；顶板出现了拉应力3.32 MPa，大于岩体的抗拉强度，顶板发生拉伸破坏；采场顶板出现明显的塑性区，显示发生拉伸破坏。故该结构参数不能满足采场稳定性要求。

其他方案的模拟结果和采场稳定性评估见表2。考虑到金矿石属于高价值产品，在开采过程中应尽量减少资源浪费，提高回采率。通过数值模拟分析，在采用下向中深孔落矿嗣后充填法时，较为合理的采场结构参数：采场宽度为4.5 m、高度为15 m或宽度为5 m、高度为13 m，采场沿走向布置，长度为100 m。