安庆铜矿深部厚大矿体回采方案数值模拟研究

陶传宝

(铜陵有色金属集团股份有限公司, 安徽铜陵市 244000)

安庆铜矿深部厚大矿体回采方案数值模拟研究

陶传宝

(铜陵有色金属集团股份有限公司, 安徽铜陵市 244000)

安庆铜矿采用大直径深孔嗣后充填采矿法回采深部厚大矿体,实践表明,合理的开采顺序是维护采场稳定、保证矿山安全开采的前提。对安庆铜矿深部厚大型主矿体开采技术条件进行了分析,并对开采方案进行了数值模拟分析比较,以实现深部厚大型主矿体安全顺利回采。

大直径深孔;水平矿柱;采场稳定性;充填体;三维数值分析

0 前 言

安庆铜矿是一座大型铜铁地下矿山,设计采选能力3500 t/d。主矿体赋存标高-180～-780 m,为接触交代矽卡岩型铁铜矿床,走向125°～305°,倾向总体南西,部分北东,属急倾斜矿体,平均厚度40～50 m,厚大区域达100 m。主矿体采用高阶段大直径深孔嗣后充填采矿法回采,采场一般垂直矿体走向布置,采场宽15 m,长为矿体厚度,采后一次性充填,其中矿房尾砂胶结充填,矿柱为尾砂充填。凿岩设备为Simba-261型潜孔钻机,炮孔直径165 mm。采用ST系列铲运机出矿,斗容3.8～4.0 m3。该方法具有生产能力大,采矿效率高,作业成本低,矿石损失、贫化小等优点。

1 开采方案研究

安庆铜矿1#主矿体西部厚大区域一直延伸至-640 m中段,-560～-580 m中段20 m水平隔离矿柱是否需要保留,-640 m中段采场与上部-560 m中段采场如何相互衔接以及-640 m中段的开采顺序,都是开采-640 m中段必须要解决的问题。在综合考虑1#矿体-400～-640 m中段开采方案的基础上,进行1#矿体-560～-640 m中段厚大区域的开采方案数值模拟研究[1]。

本文针对-560～-640 m中段厚大区域提出了3种开采方案:方案1,保留-560～-580 m水平矿柱;方案2,不保留-560～-580 m水平矿柱, -560 m上下分采,即先采-560 m上部,再采-560 m下部;方案3,不保留-560～-580 m水平矿柱,矿房、矿柱垂直交错布置。

采用大型三维快速拉格朗日分析程序FLAC3D进行模拟开采,对开采方案的开采全过程进行数值模拟计算时,从岩体和充填体的破坏情况以及应力应变状态等方面考虑,对比分析各开采方案的优劣,揭示其潜在的地压问题,并论证方案的可行性。对于方案2和方案3,还设定了多组充填体强度指标分别进行计算,以确定这两种方案的充填体强度标准。

1.1 岩体力学参数

数值模型中主要考虑矿体、闪长岩、大理岩和尾砂充填体。矿体下盘为闪长岩,矿体上盘为大理岩。现实中相对少量的矽卡岩归至闪长岩一类中[2]。尾砂充填体共分为3类:灰砂比为1∶4的高强度尾砂胶结充填体,主要用于采场底部作为假底;灰砂比为1∶10的低强度尾砂胶结充填体,主要用于一步骤采场充填;非胶结尾砂充填体,不含水泥胶结材料,主要用于二步骤采场充填。计算模型中选用的岩体力学参数如表1、表2所示[2-4]。

表1 计算模型中的岩体力学参数

表2 数值模拟计算选用的充填体物理力学参数

1.2 地应力

安庆铜矿地应力以水平应力为主,水平应力大于垂直应力。最大主应力的方向基本水平,方位由上部的近东西向转向下部的近北东-南西向。随着深度的增加,地应力也随之增大[2-4]。根据原岩应力测定结果,回归得到安庆铜矿水平最大主应力、最小主应力和垂直应力值与岩体深度的关系式为:

式中,假定地表标高为+50 m,本文-580 m以下的地应力也由该组公式进行计算。

1.3 强度准则

本文对岩体材料采用具有弱化性能的虎克-布朗(Hoek-Brown)强度破坏准则:

式中,σs是在岩石峰值强度时的最大主应力,σ3是最小主应力,σc是岩石单轴抗压强度,m和s为材料常数,它们取决于岩石性质和原始破裂状况。此外,当拉应力超过材料的抗拉强度时,材料单元将发生拉破坏。而对充填体则采用莫尔-库仑强度准则。

1.4 计算分析模型

FLAC3D特别适合于分析渐进破坏失稳以及模拟大变形,能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学特性。通过数值模拟可以得知岩土开挖后岩土体内部的特性及其破坏机理。因此,本文将选用FLAC3D软件进行安庆铜矿深部厚大矿体开采方案的数值模拟研究。

三维计算模型的长、宽、高设置为680,300 m和530 m。模型长度方向为矿体的走向方向,模型宽度方向垂直矿体走向,模型高度范围为标高-680～-150 m(见图1)。

2 开采方案模拟分析

2.1 方案1

图1 计算分析模型

方案1数值分析模型如图2所示。-580～-640 m中段采用“隔一采一”的回采原则。-560～-580 m底台暂不回采,先采-560 m上部,再采-580 m下部。P23下部矿房,采用尾砂胶结充填,底部高强度尾砂胶结充填体假底厚度为10 m。R3矿柱采场采用尾砂非胶结充填,底部高强度尾砂胶结充填体假底厚度为15 m。从-400 m以下开始计算开采步骤,这样从-400～-640 m共分12步回采,依次是:

(1)11R12,7R12,3R12,2R12,6R1,10R1;

(2)11P23,9R12,5R12,1R12,4R1,8R1,12R1;

(3)4P23,9P23,5P23,1P23;

(4)9P1,5P1,1P1,4P1,8P1,12P1;

(5)7P23,3P23,2P23;

(6)7P1,3P1,2P1,6P1,10P1;

(7)13R23,9R3,5R3,1R3;

(8)11R3,7R3,3R3,2R3;

(9)9R4,5R4,1R4;

(10)7R4,3R4,2R4;

(11)9P4,5P4,1P4;

(12)7P4,3P4,2P4,4P4。

方案1的关键问题是-560～-580 m矿体底台的稳定性,即在回采-580～-640 m中段时,水平矿柱能否起到安全隔离作用。因此,方案1的数值模拟计算将重点分析该水平矿柱的稳定性。

图2 方案1数值分析模型

方案1数值模拟结果表明,当保留-560～-580 m水平矿柱时,20 m的水平矿柱只在下部第一步矿房回采时比较稳定,而在矿柱回采阶段,水平矿柱的破坏将非常严重,难以保证-560 m下部矿柱回采的安全。

2.2 方案2

方案2数值分析模型如图3所示。该方案先采-560 m以上部分,然后再采-560 m以下部分,在每采充完-580～-640 m中段单个采场之后,立即回采该采场上部的-560～-580 m底台,这样最终不保留水平矿柱。-560 m上下采场布置可以水平对齐,也可水平错开,本文按水平对齐方式进行布置。-560 m以下采场仍按“隔一采一”的原则回采,其开采顺序和充填方式与方案1基本相同。该方案-400 m以下可具体分16步回采,前8步与方案1相同,后8步依次为:

(1)13RZ,9R4,5R4,1R4;

(2)9RZ,5RZ,1RZ;

(3)11RZ,7R4,3R4,2R4;

(4)11PZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(5)9P4,5P4,1P4;

(6)9PZ,5PZ,1PZ;

(7)7P4,3P4,2P4;

(8)7PZ,3PZ,2PZ,4P4。

本方案-560 m中段采场的高强度胶结充填体假底及残留的三角矿柱将构筑成-560 m的隔离层,该隔离层能否起到安全隔离作用是本方案下部采场能否安全回采的关键。因此,方案2的数值模拟计算将重点分析该隔离层的稳定性,并依此确定方案的可行性。

图3 方案2数值分析模型

方案2数值模拟结果表明,当采用不保留-560～-580 m水平矿柱并且先采-560 m上部再采下部时,要求-560 m中段P23采场的假底厚度大于10 m,R3采场的假底厚度大于15 m,假底强度大于充填体1a标准(C＝0.9 MPa,φ＝30°,对应σc＝3.1 MPa),并且-560 m下部的矿房尾砂胶结充填必须能充分接顶。在此条件下由-560 m中段采场充填体假底和三角矿柱构成的水平隔离层才能起到安全隔离作用。

2.3 方案3

方案3数值分析模型如图4所示。在-560 m上下采用矿房、矿柱垂直交错布置方式。下部的R4和RZ为矿房,采用尾砂胶结充填,而上部的R3为矿柱,主要采用尾砂充填。R类采场是由-640 m中段开始向上回采,即先采充-580～-640 m,再采充-560～-580 m底台,然后再回采-510～-560 m。

该方案数值模拟回采步骤可分为16步,前6步与方案1相同,后10步依次为:

(1)9R4,5R4,1R4;

(2)13RZ,9RZ,5RZ,1RZ;

(3)13R23,9R3,5R3,1R3;

(4)7R4,3R4,2R4;

(5)11RZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(6)11R3,7R3,3R3,2R3;

(7)9P4,5P4,1P4;

(8)9PZ,5PZ,1PZ;

(9)7P4,3P4,2P4;

(10)11PZ,7PZ,3PZ,2PZ。

P23采场在-560 m中段采用的是尾砂胶结充填,其底部以10 m厚的高强度尾砂胶结充填体作为假底。R3采场及RZ采场将在-545～-565 m的20 m高度范围内充填高强度尾砂胶结充填体,该尾砂胶结充填体与P23的假底及其残留的三角矿柱共同构成了-560 m的水平隔离层。

图4 方案3的数值分析模型

方案3数值模拟结果表明,当P23采场尾胶体假底厚度达到10 m,强度达到粘结力C＝0.9 MPa、内摩擦角φ＝30°,对应单轴抗压强度σc＝3.1 MPa; R3和RZ的隔离层尾胶体厚度达到20 m(标高-545～-565 m),强度达到C＝1 MPa、φ＝35°,对应σc＝3.8 MPa时,由高强度尾胶体和残留三角矿柱共同构成的-560 m水平隔离层能起到安全隔离作用,可以防止-560 m上部的尾砂充填体发生大规模的垮落。

3 结 语

通过对3种开采方案的数值模拟结果分析可知,方案1在矿柱回采阶段,水平矿柱的破坏将非常严重,难以保证下部矿柱回采的安全,同时考虑安庆铜矿目前的充填工艺与充填技术,实现尾砂胶结充填充分接顶是比较困难的,而充填接顶对方案2的安全开采极为重要,因此方案1和方案2不可行。方案3中的R类采场则是从-640 m逐步向上回采,因此在-560 m不存在充填接顶问题,同时采用高强度尾砂胶结充填体构筑成的隔离层能够满足开采安全性的要求。

研究认为,在所分析的3种开采方案中,方案3具有更好的可行性,因此采用不保留-560～-580 m水平矿柱,矿房、矿柱垂直交错布置的开采方案进行深部厚大矿体的回采。

[1]高 进.丰山铜矿北缘采矿方法优化比较好[J].采矿技术, 2011,11(6):14-17.

[2]唐绍辉.安庆铜矿岩体稳定性的工程地质研究[J].矿业研究与开发,1997,17(1):30-33.

[3]李 政.安庆铜矿2#矿体开采稳定性研究[J].湖南有色金属,2006,22(5):1-3.

[4]胡飞宇.安庆铜矿特大型采场充填体稳定性数值模拟研究[J].有色金属(矿山部分),2006,58(3):14-17.

2012-04-01)

陶传宝(1962-),男,江苏南京人,采矿工程师,主要从事矿山采矿技术管理工作,Email:taocb@tlys.cn。