羊拉铜矿里农矿段采场回采顺序优化研究

2018-11-20尹仕湘牛向东侯克鹏

现代矿业 2018年10期

尹仕湘牛向东侯克鹏

(1.云南黄金矿业集团股份有限公司；2.云南亚融矿业科技有限公司；3.昆明理工大学)

采矿活动往往伴随着矿区地应力的重新分布[1]。合理的回采顺序可以改善围岩应力分布，能使围岩更好地适应新的应力条件，提高围岩自稳能力[2-4]；同时，合理的回采顺序能够避免矿区形成应力集中区域，有效防止发生大规模突发性的地压活动，保证采矿生产安全[5-7]。

近年来，针对采场回采顺序优化，已有很多国内外学者进行了许多相关的研究工作。裴明松等[8]通过对程潮铁矿联合开采时回采顺序的数值模拟优化，确定了地表沉降最小且施工组织容易的回采顺序组合，充填法采用“中-左-右”回采顺序，无底柱分段崩落法采用“左-右-中”回采顺序。焦文宇等[9]通过对充填体下矿体回采顺序数值模拟优化研究，根据计算结果，从应力、位移及塑性区3个方面对不同的方案进行了比较分析，确定从中间向两翼的回采顺序为最优。程崇强等[10]通过对红透山铜矿深部采场回采顺序的数值模拟及优化，分析6种不同方案回采过程中的应力、位移分布特征，确定由左至右、由下至上为最优回采顺序。叶义成等[11]通过对缓倾斜多层矿床充填法开采围岩变形及回采顺序试验研究，采用相似模拟试验方法，研究前进式和后退式回采顺序开采矿床的围岩应变变化、巷道围岩应变变化、地表沉降及演变规律，探讨嗣后充填采矿法回采上横山矿合理的顺序为前进式最佳。

为改善羊拉铜矿里农矿段空场法开采过程中围岩的应力分布以及提高围岩的自稳能力，利用FLAC3D有限差分数值分析软件对里农矿段高程和平面2个维度的回采顺序进行数值模拟优化，以保证矿山开采安全。

1 工程概况

羊拉铜矿共有7个矿段，其中里农矿段为多层、缓倾斜-倾斜、中厚-厚矿体，沿走向和倾向上矿体的产状和厚度变化很大，且厚大部分多靠近地表。针对矿体的不同产状，采矿方法主要有底盘漏斗空场法、房柱法和全面法等。里农矿段矿体以硫化矿为主，矿体顶板岩性为大理岩，节理较发育，节理面以平直、平滑者为主，产状与坡体表面近于一致，以平直、粗糙为特征，绝大多数节理由岩屑部分充填；矿体底板岩性为变质石英砂岩，节理发育，局部密集发育，岩石破碎，岩体完整性差。羊拉铜矿里农矿段在使用空场法开采过程中，留下大量的采空区，造成采场地压显现剧烈，井下巷道出现底鼓，顶、边帮冒落等破坏情况。

2 矿岩物理力学参数

通过对羊拉铜矿里农矿段矿岩进行室内岩石力学试验，同时考虑试件的尺寸效应、矿岩所处的力学环境等因素，基于Hoek-Brown强度准则对室内岩石物理力学参数进行处理，获得数值模拟计算所需矿岩物理力学参数，见表1。

表1 羊拉铜矿里农矿段矿岩的岩体物理力学参数

3 数值模拟计算及分析

随着计算机技术的发展，数值分析方法已成为解决岩石力学问题的一个重要手段。FLAC3D程序是由美国 Itasca咨询集团公司在 FLAC的基础上开发的三维数值分析软件，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，可在较小内存空间求解大范围的三维问题。因此，基于FLAC3D数值模拟软件的特点，对里农矿段在高程和平面2个维度方向的不同回采顺序进行数值模拟计算。

3.1 计算模型

羊拉铜矿里农矿段计算模型见图1。X正方向为正东方向，长1 400 m；模型Y正方向为正北方向，长2 200 m；模型Z正方向为竖直向上方向，高1 120 m。模型共计247 500个单元和261 702个节点。边坡岩性从下往上依次为底板变质石英砂岩、矿体硫化矿、顶板大理岩。计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用X、Y、Z方向约束，模型X方向的两端采用X方向约束，模型Y方向的两端采用Y方向约束。模型坡面为自由边界。

图1 羊拉铜矿里农矿段计算模型

3.2 高程维度回采顺序模拟

3.2.1 回采顺序模拟方案

里农矿段空场法设计采场长50 m，留设5 m顶底柱。数值模拟的间柱和矿房尺寸以及回采顺序见表2。

表2 高程维度方向采场回采顺序方案

3.2.2 计算结果与分析

对应力值、位移量和塑性区大小模拟计算结果进行分析，来确定不同方案对山坡和矿柱稳定性的影响程度。各方案计算结果见表3，因各方案模拟结果图片过多，这里仅列举方案1模拟结果，见图2。

由图2可知：

山坡的最大主应力分布于整个坡面，其值为-10 MPa；山坡的最小主应力分布于坡脚及部分山坡上，其值为0.94 MPa，为拉应力。山坡X方向的位移是+23 cm，山坡最大位移是+40 cm，说明矿体在开采的过程中，山坡的位移不断向东移动，且在山坡坡顶位置出现最大的整体位移。山坡坡顶Z方向的位移为-40 cm，则山坡坡顶位置Z方向的位移不断向下，且下沉的位移最大；山坡边坡上的塑性区主要分布在坡顶和容易出现应力集中的坡脚处。山坡边坡坡脚及坡顶位置较容易出现应力集中、位移量最大以及塑性区较多，则山坡坡脚及坡顶位置较易破坏，但破坏面积不大。

表3 高程维度方向各方案模拟计算结果

注：X方向位移，+表示东，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；应力，+表示拉应力，-表示压应力。

图2 高程维度上方案1模拟计算结果

矿柱的最大主应力和最小主应力均出现在矿柱上部，分别是-20和-2.5 MPa，则矿柱上部易出现应力集中；矿柱X方向的位移为+20 cm，说明矿柱位移方向与山坡一致，均不断向东移动；矿柱Z方向的位移为-30 cm，则矿柱Z方向的位移不断向下；矿柱的塑性区主要分布在矿柱上部，与采场顶板接触位置。矿柱上部较容易出现应力集中、位移量最大以及塑性区较多，则矿柱上部易破坏。

通过表3中方案1～方案6的山坡和矿柱的应力、位移及塑性区对比分析可知，在采场结构尺寸相同的情况下，自上而下开采时山坡及矿柱应力和位移比自下而上开采时要小，说明矿体自上而下回采顺序相对较安全；从山坡和矿柱的塑性区来看，自下而上回采的塑性区面积大于自上而下回采。因此，在高程维度的回采顺序上，采用自上而下的回采顺序较优。

3.3 平面维度回采顺序模拟

3.3.1 回采顺序模拟方案

羊拉铜矿里农矿段在平面维度上采用跳采的方式进行开采，即隔一采一，待两旁空区充填后，再回采矿房，各方案均采用自上而下的回采顺序，平面维度上各回采方案见表4。方案1～方案3为单个中段开采，方案4～方案6为多个中段开采，平面维度上的回采顺序见图3。

表4 平面维度方向采场回采顺序方案

图3 平面维度方向采场回采顺序示意

3.3.2 计算结果与分析

平面维度上的计算结果分析与高程维度上的分析方法一样，即对模拟计算结果的应力值、位移量和塑性区大小进行分析，确定不同方案对山坡和矿柱稳定性的影响程度。各方案计算结果见表5，因各方案模拟结果图片过多，这里仅列举方案1模拟结果，见图4。

表5 平面维度方向各方案模拟计算结果

注：X方向位移，+表示东，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；应力，+表示拉应力，-表示压应力。

由图4可知：

山坡的最大主应力和最小主应力均在坡脚处以及部分坡面上，分别是-2.5和1 MPa，则山坡坡脚及部分坡面易出现应力集中和拉应力；山坡X方向的位移为+25 cm，山坡整体最大位移为+50 cm，说明矿体在开采的过程中，山坡位移不断向东移动，且在山坡的中心处及坡顶处的位移最大；山坡Z方向的位移为-50 cm，则山坡Z方向的位移不断向下，且位移下沉最大位置位于坡顶处；山坡边坡上的塑性区主要分布在坡顶和容易出现应力集中的坡脚处。山坡边坡坡脚及部分坡面位置较容易出现应力集中、位移量最大以及塑性区较多，则山坡坡脚及部分坡面位置较易破坏。

矿柱的最大主应力和最小主应力均出现在矿柱上部，分别是-25和-2 MPa，则矿柱上部易出现应力集中；矿柱X方向的位移为+27.5 cm，矿柱最大位移为+40 cm，说明矿柱位移方向与山坡一致，均不断向东移动；矿柱Z方向的位移为-30 cm，则矿柱Z方向的位移不断向下；矿柱的塑性区主要分布在矿柱上部，与采场顶板接触位置。矿柱上部较容易出现应力集中、位移量最大以及塑性区较多，则矿柱上部易破坏。

图4 平面维度上方案1模拟计算结果

通过对方案1～方案6的山坡和矿柱的应力、位移及塑性区对比分析可知，模拟的6个回采方案在应力和位移方面差别不大，而且最大应力和位移均集中在山坡坡脚、坡顶及部分坡面位置和矿柱上部，单从数值上看不出各方案的优劣；从塑性区分布来看，单中段回采时方案3矿柱上塑性区范围较方案1和方案2少；多中段回采时方案6矿柱上塑性区范围较方案4和方案5少。因此，在平面维度上不管矿体是单中段回采还是多中段回采，采用中间向两翼回采顺序较好。