急倾斜厚大矿体采矿方法的选择研究

杨东奕

摘要：云南怒江泸水外岩房锡钨矿在生产中对于急倾斜厚大矿体，计划采用分段凿岩阶段出矿分段空场采矿法进行开采。运用FLAC3D计算机数值模拟技术对该矿山开采过程中采场顶底板，间柱的应力以及塑性区等特征的变化进行计算分析。结果表明：随着回采工作的结束，采场顶底板，间柱将出现明显的压剪、拉和拉剪等多种破坏，若采用上述空场类采矿方法将对矿山安全生产造成较大安全隐患。结合矿山实际情况，重新设计采用有底柱分段崩落法进行回采，为矿山安全生产提供了理论依据和技术支持。

Abstract： In order to exploit a large and thick inclined tin-tungsten ore in Yunnan， sub-level caving open stoping method is designed to be into implementation. FLAC3D computer numerical simulation technology is applied to analyze the stress and plastic zones of the pillar， roof and floor， indicating that shear-n， tension-n and shear&tension-n failure will occur at the end of excavation. A sub-level caving mining method is redesigned to avoid the potential safety hazard when previous mining method being into implementation， providing theoretical basis and technical support for the safety in production of the mining enterprise.

关键词：急倾斜厚大矿体；FLAC3D；采矿方法；矿山安全

Key words： large and thick inclined ore；FLAC3D；mining method；mining safety

中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0133-03

0 引言

众所周知，急倾斜厚大矿体的开采工作一直是国内外矿山生产工作中的一项技术难题。从近年来国内外对急倾斜厚大矿体开采的设计，实践和理论研究工作来看，对这一类矿体的开采工作主要存在的问题是：

①施工人员在采场内工作环境差，人员安全保障程度低，特别是在采用空场类采矿法开采急倾斜厚大矿体时，凿岩，爆破，支护，矿石运搬等一系列生产工作都将在大面积暴露的顶板下进行，而由于空区高度大，对于顶板安全性的监测和管理难度也随之增大。因此，作业环境差、安全程度低是困扰从事矿山生产人员的一个难以解决的问题。

②采场尺寸等结构参数难以控制，特别是采场跨度和顶底柱尺寸的大小。由于矿体厚大，导致顶板的暴露面积也随之变大，为保证采场以及中段运输巷道等地下构筑物的安全，必须扩大顶底柱以及间柱的厚度，这就直接导致了矿石的损失。因此在地表不允许塌陷的情况下，对于急倾斜后大矿体的开采问题，目前已有许多矿山采取空场嗣后充填的采矿方法，而就目前采矿工程的发展现状和采矿工艺水平而言，充填类采矿法所涉及的采矿成本以及充填系统的建立等问题都没有得到较为成熟有效的解决。因此，采场结构参数的确定以及开采的经济效益也是开采急倾斜厚大矿体的难题之一。

综上所述，开采急倾斜厚大矿体存在作业环境差、安全程度低、顶板管理难度大和采场生产能力低等问题。云南怒江泸水外岩房锡钨矿在开采急倾斜厚大矿体时采用分段凿岩阶段空场法进行生产，由于顶板暴露面积较大，出现采场顶板局部失稳垮塌现象。本文依托怒江州泸水县石缸河钨锡矿深部矿体采矿方法及结构参数课题研究课题项目，结合实际为例，利用FLAC3D计算机建模技术对此类矿体的开采方法选择与设计的研究进行阐述。

1 工程概况

云南某矿山位于怒江州六库县南东50°方向，距六库平距18km。矿山通过招商引资方式引进江西稀有稀土金属钨业集团有限公司来共同开发矿区的矿产资源。企业整合后矿山分为五杈树矿段、石缸河矿段西部矿、石缸河矿段东部矿以及岩房矿段。其中石缸河西部矿段矿石储量229.46万t，其中2126-2226中段矿石储量258740t，矿体倾向70°，平均倾角65°，平均厚度45m。矿体及其顶、底板岩性组合形态较复杂，地质构造中等，矿层顶板为较硬层状结构砂板岩，产状较陡，节理裂隙发育，稳定性中等。

2 原有采矿方法简介

经过多方案对比论证，矿山初步设计中决定采用分段凿岩阶段空场法对矿石进行回采，其矿块结构参数：矿块沿矿体走向连续布置，沿走向长50m，矿块高度与中段高一致，矿房长44m，矿房宽为矿体厚，间柱宽6m，底柱高10m，分段高10m。如图1所示。

3 采场稳定性模型分析

由于该矿段矿体厚大属极厚矿体[1]且矿石围岩岩性组合形态复杂，采用空场类采矿方法对矿石进行回采具有较大的难度，甚至可能由于菜场结构参数的不合理以及空区处理的不当导致采空区发生破坏，影响回采工作顺利进行甚至危害井下人员的生命安全。在矿山试生产前对采矿方法进行进一步可行性验证，通过运用FLAC3D计算机数值模拟软件建立模型对采场稳定性进行分析从而为矿山安全生产提供理论数据依据是十分必要的。

3.1 建立模型

根据矿山石缸河矿段29#剖面图所反映的地形地貌以及矿体赋存条件情况，建立FLAC3D计算机三维模型。模型尺寸：336m×374m×382m，即X方向（垂直矿体走向）336m；Y方向（沿矿体走向）374m；Z方向（铅垂方向）382m。模型X，Y方向均对边界进行约束；Z方向对最小标高即底部进行约束。模型中垂直应力以自重应力为主，水平应力由于矿山未进行地应力实测，因此根据计算所得的侧压力系数λ对水平应力进行赋值。对模型进行划分后共有33440个单元，36900个节点，在对该模型进行分析时采用摩尔库伦屈服准则。模型所反映矿区围岩为：∈3h1-4（寒武系上统核桃坪组绿灰色钙质板岩）以及∈3h1-3（寒武系上统核桃坪组粉砂质板岩），在模型中命名为围岩1和围岩2以便区分。此次分析着重于空场采矿法运用于矿山厚大矿体时采空区的稳定性，因此建立了上下相邻的四个采场，采场结构参数与初步设计中选定的采场结构参数一致：矿房长44m，底柱高10m，间柱宽6m。最终所建立的整体计算模型和采场模型如图2所示，各矿岩体的物理力学参数列于表1。

3.2 模型计算

本次计算机建模计算主要分析空区顶底板以及间柱的应力以及塑性区分布情况，因此在模型建立之后分两步开挖形成上下两个中段相邻的采空区。在空区形成后在对模型的应力以及塑性区情况分别进行分析。其中应力情况为：在开挖一步完成后，2210中段采场顶板和间柱承受最大和最小应力分别为0.1067MPa和0.024227MPa；开挖二步完成后，2210，2226中段采场顶底板和间柱承受最大和最小主应力分别为0.27826MPa和0.26355MPa。塑性区分布情况显示：在一步开挖后在2226中段顶板和间柱都出现了明显的压剪、拉和拉剪等多种破坏形式，而当二步开挖后，2126和2226中段的顶底柱以及间柱发生更明显的破坏。计算结果如图3至图4所示。

4 矿山厚大开采建议

由计算机数值模拟分析的结果可知，在开采极厚大矿体时，由于空区面积较大以及围岩岩性组合较为复杂等因素的影响，采用初步设计中的空场类采矿方法在矿山生产的安全性方面存在着一定的隐患，若对采场参数结构进行调整，则将会提高矿石的贫化损失率甚至要随之调整矿山开拓系统等主控工程布置，这将会对矿山的生产进度和经济效益产生直接影响。

结合矿山生产实际和2126-2226中段矿体赋存情况以及国内外相似矿山生产经验，建议采用有底柱分段崩落法对该矿体进行回采。结合矿山已形成的开拓工程实际情况以及现有设备型号，设计推荐采用的采矿方法结构参数：采场沿矿体走向布置，中段高度40m，分段高度12m/6m，底部结构高8m，漏斗间距7.5m，如图5所示。

5 结论

①运用FLAC3D计算机数值模拟技术分析并解决矿山实际生产问题，为企业安全生产提供理论依据和技术支持。

②根据计算机建模分析结果表明：开采2126-2226中段矿体时采用初步设计中空场类采矿方法具有较大安全隐患。重新设计的有底柱分段崩落法开采完毕之后崩落的岩石将充填并封闭采空区，释放地压从而消除了采空区对井下人员以及设备的安全隐患，解决了矿山地压管理以及安全生产所面临的问题。

③由于缺乏现场实测水平应力数据，导致计算机建模分析的精确程度受到影响，但不影响得出定性的结论。为今后计算机建模分析手段运用于其他相似矿山生产实际问题提供了借鉴。

参考文献：

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