某铜铁矿二期工程采场结构参数优化研究

苏先锋，陈顺满

(1.北京金诚信矿山技术研究院有限公司， 北京 101510；2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)



某铜铁矿二期工程采场结构参数优化研究

苏先锋1，陈顺满2

(1.北京金诚信矿山技术研究院有限公司， 北京 101510；2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)

结合国内某铜铁矿开采技术条件，对该矿区二期工程-620 m水平采用分段空场嗣后充填法的采场结构参数进行分析验证，基于弹塑性理论，运用ANSYS有限软件建立三维数值模拟模型，采用“隔一采一”的方式对两种不同采场结构参数方案的矿房进行开采和充填，并对开挖后的采场进行应力、应变及安全系数分析。研究结果表明，随着采场尺寸的减少，采场的应力和应变也相对减小。经综合分析对比，确定合理的矿房和矿柱尺寸均为8.3 m。

分段空场嗣后充填法；采场结构参数；有限元；数值模拟

0 引 言

某铜铁矿位于湖北省黄石市，矿体自上到下赋存在-220～-720 m标高之间，以50 m为一个中段水平，整个矿区分为一期、二期工程，其中-220～-420 m之间为一期工程，共4个开采中段，-420～-720 m为二期工程，共6个开采中段。矿区主要采用分段空场嗣后充填法进行开采，局部难采地段采用浅孔留矿嗣后充填采矿法，随着矿山的开采，逐渐进入到二期工程深部开采阶段，容易出现采场垮塌等现象，因此很有必要对该矿区二期工程采场结构参数进行研究。

目前国内外应用分段空场嗣后充填法的主要有冬瓜山铜矿，阿舍勒铜矿和安庆铜矿等[1-2]，这些矿山所采用的矿房矿柱尺寸为15～20 m，当所采用的采场结构参数越大，回采的效率越高，但同时也会带来一系列的安全问题。由于影响采场稳定性的因素众多[3-6]，比如采场的暴露面积大小、岩性条件、采场暴露时间及施工因素等，在相同的岩性条件下，不同的采场结构参数，会引起矿柱及围岩的应力状态和变形不同，导致采场的稳定性不同[7-9]，因此很有必要对合理采场结构参数进行分析验证，以保证矿山安全和高效开采。

1 矿区地质及开采技术条件

主要研究对象为Ⅰ号铜铁矿体，倾角75°～85°，平均厚度约40 m，9线以东受反“S”型主接触带构造控制。走向近东西，长900 m(3线～20线)，倾向北东。由西向东侧伏，整个矿体赋存标高+27～-720 m之间。

上盘为大理岩，下盘为花岗闪长斑岩，局部为矽卡岩。大理岩整体性好，铜铁矿石次之，花岗闪长斑岩最差。花岗闪长斑岩在封闭的条件下强度较高，但一旦揭露，遇水之后会发生膨胀崩解，强度迅速降低。矿体与大理岩的接触带部位的岩体强度相对较低，但接触影响宽度较小，而且结合比较紧密。矿体与花岗岩长斑岩的接触带条件非常恶劣，岩体破碎，容易水解，稳定性最差。

2 数值模拟模型的建立

2.1 采场结构初步方案选定

该铜铁矿所采用的采矿方法是分段空场嗣后充填法，目前的矿房矿柱宽度均为12.5 m，二期工程采场垮塌现象严重，结合现场生产实际，以-620 m中段水平矿体为开采研究对象，提出以下两种方案。

(1) 方案一：采场垂直矿体走向布置，顶柱5 m，底柱8 m，矿房和矿柱宽度均为12.5 m，矿房长度为矿体水平厚度，阶段高度为50 m，采用矿房矿柱间隔布置形式，采用隔一采一的方式进行回采，采完一个矿房之后立即进行充填，图1中的数字标号为开采步骤。

(2) 方案二：采场垂直矿体走向布置，顶柱5 m，底柱8 m，矿房和矿柱宽度均为8.33 m，矿房长度为矿体水平厚度，阶段高度为50 m，采用矿房矿柱间隔布置形式，采用隔一采一的方式进行回采，采完一个矿房之后立即进行充填，图2中的数字标号为开采步骤。

图1 方案一采场布置

图2 方案二采场布置

2.2 模型建立

为了使选取的模型合理，计算误差小，需选取较大的研究范围，划分相对较小的单元，但对计算的性能要求较高，为了建立比较合理的三维模型，根据圣维南原理[10-11]，采场回采会对周围3～5倍的围岩产生影响，同时使建立的模型与现场实际更加接近，整体模型所选取的尺寸为采场高度、宽度和长度的3～5倍，以垂直矿体走向为X轴方向，模型的高为Y轴方向，Z方向范围为-520～-720 m，建立的模型的尺寸为330 m×180 m×300 m。

在进行网格划分过程中，利用有限元数值模拟软件ANSYS14.5为数值模拟工具，根据矿区地质模型及现场生产实际，确定开采研究对象，建立三维数值模型。考虑到计算精度的要求和计算机计算速度的要求，根据研究对象的范围研究区域重点不同及所建立网格的类型等不同，上盘、下盘单元采用4 m×4 m×4 m的四面体单元进行划分，矿体单元采用1 m×1 m×1 m的四面体单元进行划分。

2.3 岩体力学参数的选取

本研究区域的岩体主要为上盘大理岩，下盘花岗闪长斑岩，局部为矽卡岩等，首先通过实验室试验得到岩石的力学参数，而现场的岩体与实验室测得岩石力学参数有一定得差距，本文采用经验折减法、EHoek法、系数换算法等对岩石力学参数进行了一定程度的弱化，得到某铜铁矿采场岩体物理力学参数如表1所示[12-13]。

表1 岩体物理力学参数

2.4 边界条件

对左右两个侧面设置为X=0水平约束，对前后两个侧面设置为Y=0的水平约束，由于所计算的模型的Z方向范围为-520～-720 m，地表标高为38 m左右，因此在顶部施加上覆岩层的自重应力，为15 MPa左右，在设置底部边界条件时，在底部施加水平和竖直方向的约束，且初始位移均为零，同时对整个模型施加自重应力场，计算过程中首先对边界的初始位移清零，再开始计算。

2.5 破坏准则

某铜铁矿矿区主要由大理岩，石英岩、闪长岩等岩性岩石组成，均为弹塑性岩体，因此莫尔-库伦破坏准则适应于对该矿区的岩体进行模拟，其力学模型为[14]：

式中：σ1——岩体最大主应力，MPa；

σ3——岩体最小主应力，MPa；

φ——岩体内摩擦角，°；

fs——破坏判断系数，当fs≤0时，材料处于弹性变形阶段，当fs≥0时，材料处于塑性流动状态。

3 数值模拟结果及分析

3.1 应力分析

如图3为方案一和方案二的最大、最小主应力变化情况。随着每个矿房的开采，在矿房的顶板、底板及两帮的顶角处发生应力集中现象，当对对应的矿体进行开采，破坏了原有的应力平衡，应力进行重新分布，顶角或者底角的位置一般都是发生应力集中的地方，且表现为压应力状态，随着对采空区进行充填，应力再次重新分布，顶角或者底角处的应力集中程度相应的会减少。

对比方案一和方案二在不同参场结构参数情况下的最大和最小主应力变化情况，随着矿房的开采，顶、底板和两帮都发生了应力集中现象，但所发生的应力集中现象程度不一样，从图4和图5中可以看出两种方案的最大、最小主应力变化情况，方案一的最大主应力最大值变化范围为9.3882～10.496 MPa，最小主应力受压的变化范围为47.215～48.533 MPa，方案二的最大主应力最大值变化范围为7.4967～9.7782 MPa，最小主应力受压的变化范围为36.696～43.038 MPa，可见方案二产生的最大主应力和最小主应力均小于方案一产生的最大主应力和最小主应力，因此方案二优于方案一。

图3 不同方案最大和最小主应力

图4 最大主应力变化

图5 最小主应力变化

3.2 应变分析

从图6中可以看出，在矿体开采过程中，最大主应变和最小主应变的最大值也都发生在顶角或者底角交叉的位置，当对对应的矿体进行开采，原有的应力平衡状态会遭到破坏，应力将会重新分布，顶角或者底角的位置会发生应力集中，表现出较大的应变，随后对采空区进行充填，应力再次进行重新分布，应力集中部位的应力得到释放，应变变小。

对图7和图8中的主应变进行分析，在两种不同的参场结构参数情况下，顶板的最大主应变和最小主应变的最大值均是随着开采和充填的进行不断发生变化。方案一的最大主应变最大值变化范围为0.000475～0.000604，最小主应变的变化范围为0.002349～0.002921 m/m，方案二的最大主应变最大值变化范围为0.000431～0.00045 m/m，最小主应变的变化范围为0.001835～0.0023712 m/m，可见方案二的最大主应变和最小主应变均小于方案一产生的最大主应变和最小主应变，因此方案二优于方案一。

3.3 安全系数分析

图9为不同采场结构参数下矿房开采之后安全系数变化情况，方案一的最小安全系数变化范围为0.94771～0.97426，方案二的最小安全系数变化范围为1.0729～1.2536。且各个方案的安全系数的最小值是随着矿房开采与充填量的增加，最小安全系数值基本是呈现减小的趋势。对比方案一和方案二的安全系数变化情况，方案一的最小安全系数均小于1.0，为不稳定状态，而方案二的最小安全系数值均大于1.0，相对较稳定，因此方案二优于方案一。

图6 不同方案最大和最小主应变

图7 最大主应变变化

图8 最小主应变变化

图9 安全系数变化

4 结 论

(1) 随着矿体的开采，破坏了原有应力平衡状态，应力重新分布，在采空区顶角和底角处会发生应力集中现象，随着采空区的充填，在顶角处的应力和应变集中程度会相应的有所降低，表明充填体能够对采场的变形有缓解作用，因此在开采中应加快出矿速度，及时对采空区进行充填。

(2) 由于原有应力平衡状态被矿体的开挖所打破，采场顶板、底板受高垂直、水平应力所挤压，在采场顶板、底板以外形的围岩区域成应力等值线拱，随着远离空区，拱径逐渐变大，而应力集中程度逐渐减小。方案二产生的最大主应力和最小主应力均小于方案一产生的最大主应力和最小主应力，同时方案二产生的最大主应变和最小主应变也小于方案一产生的最大主应变和最小主应变，因此方案二优于方案一。

(3) 从安全系数角度而言，方案一的最小安全系数均小于1.0，为不稳定状态，而方案二的最小安全系数值均大于1.0，相对较稳定，方案二优于方案一，因此建议的合理采场结构参数为矿房矿柱宽度均为8.33 m。

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2016-01-25)

苏先锋(1967-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为膏体充填与采矿工艺，Email:suxianfeng@jchxmc.com。