甲玛铜多金属矿盘区合理回采顺序动态模拟研究

关士良，陈国良，王志修，解联库

(1.西藏华泰龙矿业开发有限公司，拉萨 850200；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

矿山大规模的开采行为，导致应力场的重新分布，产生新的应力集中区和卸压区，致使巷道和采场周围岩体变形和破坏[1]，极易诱发灾害，危及人员与设备安全，影响矿山正常有序的生产。地压活动与采矿方法、结构参数、开采强度、回采顺序紧密相关，尤其是回采顺序对采场二次应力的分布影响较大。合理的回采顺序，能使岩体开挖聚集的能量得到及时有效释放，避免开采过程中的应力集中，防止大规模突发性地压活动的现象[2]。因此，在客观因素一定的情况下，寻找合理的矿体回采顺序是解决采场稳定性的关键。

目前，在回采顺序优化方面，国内外学者主要从工程与岩体稳定性角度进行研究，比较常用的方法有：遗传和神经网络算法、数值分析法、混合整数规划法、工程类比法、相似模拟试验法等[3-8]。如红透山铜矿、程家沟铁矿与金山店铁矿的回采顺序优化[9-11]等。 由于数值分析方法方便灵活、准确度较高，因此得到了广泛的应用。

本文以甲玛多金属矿地下二期开采工程为依托，采用数值分析方法，运用FLAC3D软件，针对盘区不同回采方案带来的应力、变形分布规律进行分析研究，得出最佳回采顺序方案，为矿山安全高效回采提供科学指导。

1 工程概况

甲玛铜多金属矿位于高山区的分水岭地带，地质构造作用较强烈，岩体破碎程度较高，岩体风化带厚度较大。矿体赋存空间海拔标高3 700～4 550 m，厚度10～50 m，矿石和围岩为坚硬—较坚硬岩组。矿体顶、底板岩层节理、裂隙的发育程度随深度增加而迅速降低；其完整程度渐增。工程地质勘探类型属第三—四类，工程地质复杂程度属中等型。

目前矿区矿床总体为露天—地下联合开采，露天采矿主要包括牛马塘、铜铅山和角岩三个露天采场，其中，牛马塘、铜铅山已回采完毕。牛马塘露天坑及角岩露天坑位于二期地下开采工程的上部。

2 盘区回采规划方案

根据矿体赋存条件及现场工程布置情况，考虑中深孔嗣后充填采矿法的生产工艺并遵循卸压式开采理论，在水平方向上确定间隔回采与连续回采两种回采顺序方案。

地下二期开采区域矿体分成一标段、二标段及三标段，其中一标段开采高度范围为4 460～4 490 m，平面上分六个盘区。二标段及三标段开采高度范围为4 420～4 490 m，平面上均分成四个盘区，竖向分为3个中段。盘区规划方案见图1。

图1 盘区回采规划示意图Fig.1 Schematic diagram of panel mining planning

回采顺序总体上为自下而上，即先开采一标段(4 460～4 490 m)、二标段及三标段的4 420～4 440 m中段，再开采二、三标段4 440～4 465 m中段，最后开采二、三标段4 465～4 490 m中段，具体盘区回采规划方案见表1。

盘区内矿体分为矿房与矿柱，采用“隔三采一”的回采方式，矿房和矿柱分步回采宽度均为15 m，先采矿房，后采矿柱，每步采场回采完毕后矿房采用尾砂胶结充填；矿柱采用尾砂或废石充填。盘区间预留盘区柱，除一标段4～5盘区及二、三标段4～5盘区的盘区柱宽为20 m外，其余盘区柱宽均为15 m。

3 数值模型建立

3.1 工程地质模型及监测点构建

建立合理的三维模型是进行数值模拟和结果分析的基础和前提。根据甲玛铜矿体的赋存条件及开采现状，建立了三维计算模型，模型X方向为2 680 m，Y方向为1 500 m，上部边界为实际地表，模型主要包括所选定的地下二期开采区域、牛马塘、角岩两个露天采场及地下二期开采区域对应的地表影响范围，模型共划分为448 809个单元，83 676个节点。同时为了更为清晰地阐述地下二期开采过程中的盘区采场、盘区柱应力及位移情况，有针对性地选取不同位置的变形监测点、应力监测点及典型剖面，以最大程度地反映不同回采顺序开采过程及开采后的动态响应。工程地质力学模型及具体监测点见图2。

3.2 数值模型参数的确定

甲玛铜多金属矿的矿岩属于脆性硬岩，采场开挖与充填使围岩处于加压卸载重复过程，导致围岩主要进入塑性破坏状态，因此计算采用弹塑性本构模型，屈服准则为摩尔-库伦准则，其主要物理力学参数见表2所示。

表1 盘区回采规划方案Table 1 Panel mining planning

表2 工程岩体物理力学特性指标Table 2 Physical and mechanical characteristic indexes of engineering rock mass

4 模拟结果分析

4.1 回采顺序对围岩稳定性的影响

由图3可知，在开采过程中不同回采顺序对各盘间柱监测点的影响程度不同。监测点3布置在一标段3、4盘区4 475 m水平的盘间柱中，在一标段开采时，该盘间柱受到不同盘区的开采应力在不断变化，随着该标段1～4盘区的采空和充填，盘间柱上的监测点出现明显的应力集中现象，但最终随着充填完毕应力处于稳定状态，说明盘间柱能够承载上覆岩层重量，具有强力支撑作用；监测点4布置在三标段2、3盘区4 475 m水平的盘间柱中，在一标段及二、三标段的4 420～4 440 m中段及4 440～4 465 m中段开采时，该监测点受到开采的扰动较小，最大及最小主应力随之变化较小，在4 465～4 490 m中段开采时，随着采空及充填的进行，盘间柱上的监测点出现明显的应力集中现象，对顶板具有强力支撑作用，盘间柱强度发挥明显作用，并未达到岩体的抗剪及抗压强度，盘间柱不会出现严重的破坏现象。

图4可以看出，在地下二期回采后，间隔回采与连续回采两种回采方式在回采完毕后，最小主应力转移和重分布范围相对较大，对于整个区域应力场的改变较大，主要体现在开采区域的顶板区域中出现一定高度的卸压，卸压的直接结果导致顶板出现一定程度的移动；同时可以看出，在盘间柱及周边均产生一定程度的应力集中，说明整个地下二期回采完毕后对覆岩的主要支撑结构为盘间柱及周边围岩；在盘间采场内部，受到胶结充填体和非胶结充填体的作用，充填区域成为应力释放的空间，其支撑作用相对有限，对于覆岩的支撑作用主要靠盘间柱及盘间周边的围岩实现。

4.2 回采顺序对顶板稳定性的影响

在一标段及二、三标段的盘区顶板区域设置了两条竖向监测点。通过竖向监测平面的两条监测线的不同阶段统计，结果从图5可以看出，位于一标段4盘区顶板的不同高度的监测点的沉降量在3个回采阶段过程中均出现间隔回采的沉降量小于连续回采的沉降量，但两者差距不大。间隔回采与连续回采在1号监测点处沉降量基本相同，随着高度增加间隔回采与连续回采沉降量均减小，由于受到充填体的充填作用影响，最终该处监测点的沉降量趋于稳定；3标段3盘区顶板监测点也呈现出同样的特点，随着三个不同阶段的上向回采，开采区域对应顶板的不同高度处的下沉量不断增加。连续回采方在3个阶段回采过程中沉降量均小于间隔回采方式，在第3阶段回采后，1号监测点连续回采方式最大沉降量与间隔回采方式最大沉降量相差大约10 mm。从4 420～4 490 m开采区域对应的顶板不同高度处变形方面可以看出，在回采顺序上，间隔回采方式优于连续回采方式。

图2 工程地质力学模型及监测点布置图Fig.2 Engineering geological mechanical model and monitoring point layout1、2-布置在采场顶板竖向监测点(示意图见c)；3、4-布置在盘间柱内的主应力监测点

图3 盘间柱竖向应力-计算时步关系曲线图Fig.3 Relationship curve of panel column vertical stress-calculation time step①表示一标段及二、三标段的4 420～4 440 m中段开采过程；②、③表示二、三标段4 440～4 465 m中段及4 465～4 490 m中段开采过程

(a)间隔回采(4 480 m水平切面) (b)连续回采(4 480 m水平切面)图4 地下二期开采区域最小主应力分布图Fig.4 Minimum principal stress distribution map of underground second-stage mining area

(a)一标段4盘区顶板监测剖面 (b)三标段3盘区顶板监测剖面图5 盘区顶板监测剖面不同高度—沉降量关系图Fig.5 Diagram of different height-settling amount of the roof monitoring section of the panel

5 结论

1)矿体回采过程中，矿柱及回采范围周边的应力集中区域逐渐扩大，应力集中程度大幅度提高。间隔回采方案盘间柱的主应力变化更优于连续回采方案的主应力变化，间隔回采易于采场顶板管理，其安全性控制优于连续回采方案。

2)在三个回采阶段的盘间内部，受到胶结充填体和非胶结充填体的作用，所有充填区域成为应力释放的空间，其支撑作用相对有限，对于覆岩的支撑作用主要靠盘间柱及盘区周边的围岩实现。

3)分析两种回采顺序方案在开采区域内引起的地压变化及顶板移动等关键指标表明，在对盘区矿体进行回采时，间隔回采方案比较合理。