新城金矿V#矿体-680 m中段踏步式回采研究

刘溪鸽 孙 星 朱万成 王青元

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438)

新城金矿V#矿体-680 m中段踏步式回采研究

刘溪鸽1孙 星2朱万成1王青元1

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438)

回采顺序的合理选择有助于地下金属矿山控制地压活动、改善回采条件以及提高经济效益。新城金矿V#矿体采用上向水平分层充填法回采，采场垂直矿体走向布置并按照“隔一采一”顺序分为一步回采和二步回采，这种回采顺序导致二步采场两侧均为充填体支撑，顶板条件较差。本研究以新城金矿V#矿体-680 m中段为研究对象,基于原有的“隔一采一”回采顺序提出“踏步式回采”方案，通过FLAC3D软件模拟分析、比较2种方案对采场岩体稳定性的影响。数值模拟结果表明，无论采用“隔一采一”还是“踏步式回采”方案，在两侧为充填体支撑的情况下，中间矿体的回采条件均较差，但相比而言，“踏步式回采”在控制顶板变形、避免产生大范围塑性区方面优于“隔一采一”方案。本研究成果对类似矿山的矿体回采设计有重要的借鉴意义。

金矿 回采顺序 隔一采一 踏步式回采 数值模拟 FLAC3D

在金属矿山地下开采过程中，优化回采顺序对于控制地压活动、改善回采条件以及提高经济效益均起到非常重要的作用[1]。特别是近年来随着浅部易采矿产资源日趋枯竭，许多矿山逐渐转入深部开采，地压问题突出。在此背景下研究矿体的回采顺序则尤为重要，同时这也是地下矿山开采研究中的热点问题。

文献[2]通过对地下金属矿山阶段开采留间柱和不留间柱以及不同回采顺序的地压规律进行多方案分析比较,为无间柱连续采矿的应用提供了理论依据； 文献[3-7]分别针对各个地下矿山的不同盘区回采方案做了对比分析；文献[8]对无底柱分段崩落法中2种回采方案进行了比较研究。以上研究成果均为不同矿山择优选择回采方案提供了可靠依据并且对类似工程有重要的参考价值。目前关于地下矿山回采顺序的研究主要集中在盘区回采顺序优选方面，在垂直分层回采顺序方面的研究较少。

本研究以新城金矿V#矿体-680 m中段为研究对象，借助FLAC3D软件[9-10]模拟计算分析，在现有“隔一采一”方案的基础上提出“踏步式回采”方案，以期达到改善矿体回采条件的效果。

1 工程概况

新城金矿V#矿体-680 m中段采用上向水平分层充填法回采，盘区沿矿体走向、矿房垂直矿体走向布置，每个盘区由1个一步采场与1个二步采场构成，一步回采采场宽8 m，二步回采采场宽7 m，分段高度50 m。每分层回采3.3 m，随后进行充填，空顶1.5 m，然后向上继续回采下一分层，最终留下6 m顶住，充填结顶。第1分层回采由3.2 m×3.1 m的切割巷片帮形成，回采完毕进行采场底板施工，底板使用直径12 mm的钢筋，网度为300 mm×300 mm，使用灰砂比1∶4的料浆进行充填，假底厚度600 mm。

现有的“隔一采一”方案是在一步回采至顶板并充填接顶后再进行二步回采，此回采方案的弊端是一步采回采完毕后二步回采在两侧全部由充填体支撑的条件下进行，顶板由较大范围孤立矿体构成，安全性较差。改进后的回采方案按“踏步式”进行，即一步回采只向上采至25 m处即充填接顶，然后开始二步回采。二步回采一直回采到顶板并充填接顶，最后回采原来一步回采剩余部分的矿体。2种不同回采方案如图1所示。

图1 2种不同的回采方案Fig.1 Two different mining methods

2 数值模拟计算分析

2.1 模型构建

根据新城金矿-680 m中段矿体条件建立数值计算FLAC3D模型。模型在构建过程中做了一定程度的简化，由于新城金矿V#矿体比较厚大，最厚部分可达130 m，故可以将模型在矿房布置方向截取一段进行研究，如图2所示，模型整体尺寸为150 m×160 m×20 m。

图2 FLAC3D计算模型Fig.2 FLAC3D calculation model

选取4个采场进行研究，模拟回采顺序与图1标号相同。由于本中段人工底板对上部变形的影响有限，所以未考虑本中段第一分层回采完毕施工的采场底板，将其作为充填体的一部分处理。但是，对上一中段的采场底板予以考虑，并在模拟计算中整体赋值，此人工底板之上为上一中段矿体回采后的充填体。模型按四面体网格划分成52 815个单元，32 118个节点。

2.2 强度准则与计算参数

本研究采用Mohr-Coulomb强度准则，其力学模型为

(1)

式中，σ1，σ3分别为第一和第三主应力；σc，σt分别为材料抗压强度和抗拉强度；c，φ分别为内聚力和内摩擦角。

依据实际工程条件，模型共分为3种岩性类型，上中段回采完毕的充填体与本中段每分层回采完毕后的充填体，上分段的人工底板以及未回采的矿体。数值模拟采用的岩体力学参数见表1。

模拟计算边界条件：四周及底板法向位移约束，模型上部为面力约束，水平地应力按体力加载，最大主应力为平行矿房布置方向的水平应力，自重应力属于第二主应力。本计算模型所用应力条件如下[11]：

表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of the rock mass

σh,max=2.15+0.052 2H,

(2)

(3)

(4)

其中，σh,max，σh,min，σv分别为最大、最小水平主应力和垂直主应力，MPa；H为埋深，m。

3 数值模拟及结果分析

在2种不同顺序的回采方案中分别选取典型工况做比较分析。在“隔一采一”方案中选取回采到14步与17步时的竖直位移场与塑性区作为参照，同时选取踏步式回采方案中11步与20步2种工况与之对比。

3.1 位移分析

此4种工况条件下的竖直方向变形如图3所示。分析发现，在“隔一采一”方案中一步回采转换为二步回采时(图3(a))，二步回采采场的底部下沉变形非常明显，可达42 mm，回采进行到17步时(图3(b))，变形加剧到47 mm；而换做踏步式回采方案后采场的下沉变形有比较大的改善，原二步采场在回采初期(图3(c))及采至顶板时(图3(d))的变形分别比原方案小，为28 mm和46 mm。踏步式回采方案在控制采场变形方面较原来方案有了较明显的改进。

图3 2种回采方案竖直位移对比Fig.3 Comparison of vertical displacement in two different mining methods

3.2 塑性区分析

4种工况条件下的塑性区分布的情况如图4，采场及充填体主要受剪切拉伸破坏。产生此现象的原因主要在于新城金矿水平地应力较大，一步回采完毕后，二步回采的采场均会收到较大影响，随着回采逐渐向上部分层推进，下面分层的充填体也会逐渐产生塑性破坏。数值模拟结果表明，“隔一采一”回采方案在二步回采时，顶板处的孤立矿体产生较大范围塑性区，相比而言，“踏步式回采”则更为灵活，可以确保回采工作面上方始终不会产生过大范围的塑性区，并且满足在较短时间内，即塑性区加剧扩展之前对其进行回采。因此，“踏步式回采”方案的实际工程意义显著。

4 结 论

(1)根据2方案在塑性区范围和发展趋势的对比，无论是“隔一采一”方案还是“踏步式回采”方案，在两侧均为充填体支撑的情况下，中间剩余矿体的回采条件都比较差，因此在回采这部分矿体的过程中有必要加强采场顶板的维护。

(2)数值模拟计算结果表明，改进后的“踏步式回采”顺序在控制采场上部未采矿体下沉变形方面优于原来的“隔一采一”方案。原方案将导致二步回采采场上部形成较大范围的孤立矿体(两侧均是一步回采完毕形成的充填体)，采用“踏步式回采”后可以减小二步采场顶板的下沉量，从而降低矿体因受拉而塌落的危险性。

图4 2种回采方案塑性区对比Fig.4 Comparison of plastic zone in two different mining methods

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(责任编辑 石海林)

Stepped Excavation Sequence for the -680 m Section of V#Ore Body in Xincheng Gold Mine

Liu Xige1Sun Xing2Zhu Wancheng1Wang Qingyuan1

(1.CollegeofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.XinchengGoldMineofShandongGoldMiningCo.，Ltd.，Yantai261438，China)

The selection of rational excavation sequence may is favor for the underground metal mines to control the geo-stress，to improve excavating conditions and to raise economic benefits.The V#ore body is excavated by the upward horizontal slice stoping-filling method at Xincheng Gold Mine，and the layout of the stopes is perpendicular to the strike of the ore body.According to the “taking one every the other one” excavation sequence，the stopes are excavated by one-step mining and two-step mining.This kind of mining sequence results in the second stage of excavating supported by the filling body on both sides and their roofs are not so stable.Taking the -680 m section of V#ore body at Xincheng Gold Mine as the objective，based on the original excavating sequence of “taking one every the other one”，the “stepped excavating” scheme has been put forward.By means of FLAC3Dnumerical simulation，the stability of stope under these two schemes are analyzed and compared.The numerical results indicate that，whether using excavating sequence of “taking one every the other one” or the “stepped excavating”，the mining condition of ore-body at middle under support on both sides is poor.In contrast，however，the sequence of “stepped excavating” is better than the sequence of “taking one every the other one” in terms of controlling of the stope deformation and avoiding from a wide range of plastic zone.The research has an important referential significance for similar mines in the design of ore body excavation.

Gold mine，Excavation sequence，Taking one every the other one，Stepped excavation sequence，Numerical simulation，FLAC3D

2014-06-11

国家自然科学基金项目(编号：51222401、 51374049、51304037)，教育部科学技术研究重点项目(编号：113019A)，中央高校基本科研业务费项目(编号：N110201001、N120101001)，中国—南非联合研究计划项目(编号：2012DFG71060/CS06-L01)，教育部博士点基金课题 (编号：20110042110035)。

刘溪鸽(1989—)，男，博士研究生。通讯作者 朱万成(1974—)，男，教授，博士研究生导师。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-10-005-04