冬瓜山铜矿高大采场二步骤回采顺序优选研究

2022-04-27毛荐新汪令辉杨志国

中国矿山工程 2022年1期

毛荐新, 汪令辉, 杨志国

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿, 安徽铜陵 244031；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

矿山深部回采往往伴随着地压问题的逐渐显现，主要表现为岩石破坏过程强烈、围岩变形加剧、巷道支护困难等，由于矿山地压导致的动力危害现象强度增大、频率增加，严重影响深部矿体资源的安全开采、制约矿山经济效益的提高[1]。冬瓜山铜矿矿体埋藏深度大，最深达到1 000 m，高应力问题尤为突出。当前，冬瓜山铜矿60线以北采用大直径深孔落矿技术[2]，采用暂留矿柱连续回采阶段空场嗣后充填采矿方法，一步骤回采矿房，二步骤回采矿柱。一步骤回采后采场空区垮落严重，增加了二步骤采场的回采难度，为保证矿山安全高效生产，亟待解决空区垮落下二步骤回采的问题。

针对矿山高大采场回采方案优化方法在传统上主要有解析法、工程类比法、模型试验法等[3-7]，但难以及时准确地实现多种结构参数的优化选择，本研究利用数值模拟软件FLAC3D分析二步骤采场不同回采顺序后，采场应力应变情况，优选出最佳的回采方案。

2 矿山采空区及采场垮落现状

1)采空区垮落现状

目前60线盘区部分采场空区垮落严重，60- 24#、60- 8#采场、60- 12#采场垮落严重，尤其是60- 8#采场，最大垮落的厚度超过16 m，几乎垮通60- 9#采场。部分高度小的空区(60- 26#和60- 28#空区)也有轻微的垮落，部分高大的空区(60- 4#和60- 22#空区)几乎没有垮落。

2)凿岩硐室破坏情况

60- 8#采场空区在充填过程中，大量的充填水通过60- 7#采场之间的裂隙流向-825 m中段60- 8#采场硐室，现场水流较大，具体如图1a所示。通过现场调查可知，-825 m中段60- 6采场硐室靠近60- 7#一侧，硐室侧帮有大量矿岩片落，节理较为发育。60- 6#采场硐室中间的间柱破坏严重，破坏形式主要为压碎性破坏，具体如图1b所示，60- 6#采场地应力非常集中。

图1 凿岩硐室破坏情况

60线空区垮落严重影响二步骤采场的安全高效回采，高度小的空区有轻微的垮落，部分高度大的空区也存在没有垮落的。针对空区围岩失稳问题，亟待优选出安全高效的二步骤回采方案。

3 二步骤采场回采方案初选

二步骤采场回采过程中，由于矿体两侧均为充填体，采用从两侧向中间回采的方式不适应，因而初选出二步骤回采的方案主要有以下3种。

1)方案一：采场单向逐步回采

该方案是冬瓜山矿床二步骤采场回采的主要方式，通过二步骤空区破坏现状以及充填体的稳定情况，该方案依然存在较大的可行性，需要进一步的验证，具体如图2所示。

图2 二步骤采场单向回采示意图

2)方案二：从采场中间向两侧逐步回采

经过调查和分析，冬瓜山矿段的充填体强度和稳定性较好，能够保障高度较大采场的安全回采，从采场中间向两侧回采，具体如图3所示，有利于对两侧穿脉巷道形成有效的保护。

图3 二步骤采场中间向两侧回采示意图

3)方案三：采场回采一半充填后再回采

二步骤采场两侧均为充填体，充填体具有一定的弹性，二步骤回采后顶板的位移会进一步的加大，采用该方案有利于顶板的稳定以及对相邻充填体形成有效支撑，具体如图4所示。

图4 二步骤采场回采一半充填后再回采方案示意图

4 数值模型建立

4.1 围岩岩石力学条件

1)原岩应力

本文的原岩应力数值采用现场实测的数据，原岩应力结果见表1。为模拟深部回采过程，采用中段-910 m测点的原岩应力。

表1 原岩应力测试结果

2)岩石力学参数

模拟中采用的矿岩及充填的力学参数均采用室内试验值，经过利用Hoek-Brown[8]公式进行折减，获取相应的力学参数，结果见表2。

表2 冬瓜山矿体和围岩数值模拟物理力学参数

4.2 基本假设

(1)不考虑井巷工程积水、断层等地质构造的直接影响，忽略地震波、爆炸冲击波等因素对岩体稳定性的影响。

(2)假定矿体、围岩和充填体都为各向同性的连续均匀介质。

(3)假定充填体是接顶的，即充填体与岩体之间没有间隙。

4.3 数值模型

模拟模型取得太小容易偏离矿山开采实际，影响计算结果的可靠性；而如果取得太大，则使单元划分太多，影响计算速度，甚至计算机无法进行计算[9]。根据本次研究对象，选择60线区域矿体作为研究对象，并建立数值模型。

本文所建模型的尺寸X×Y×Z=900 m×400 m×1 000 m，采场模型的长度为80 m，采场宽度为18 m，采场高度根据采场的实际情况而定。采场矿体整体数值模型以及矿体模型如图5所示。

图5 数值模型以及60线采场模型

5 计算结果分析

经过数值模拟计算，从三种回采方案中依次选取部分模拟结果云图，具体如图6至图8所示，自左到右、从上到下依次为最大(小)主应力云图、采场顶板(两侧充填体)位移云图。图9所示为方案一模拟结果应力、位移变化图。

图6 方案一数值模拟回采结果云图

图7 方案二数值模拟回采结果云图

图8 方案三数值模拟回采结果云图

图9 方案一数值模拟结果相关应力、位移变化趋势图

对于二步骤采场的主要从以下两方面进行分析：从沿采场方面剖面图分析最大压应力的变化情况，压应力最大位置从沿采场方向的剖面容易发现变化的规律；垂直于采场方向看空区两侧充填体的位移的变化规律。

1)方案一模拟结果分析

根据模拟结果可知，采场在初步开挖后，采场内部矿体受到拉应力的作用，拉应力较小，且拉应力范围也不大，基本不足以破坏矿岩。最大拉应力呈现先减小后增大，最后迅速下降的趋势，拉应力最大值为0.5 MPa，且拉应力范围很小，主要位于采场矿体一侧，总体看对矿岩的影响较小。从最大压应力的变化趋势来看，最大压应力呈现不断减小的趋势，由最初的37 MPa降低到回采完成后的30 MPa，表明随着回采的不断推进，应力也在逐步的释放，尤其在回采的后半段，应力释放的速度在提升。

从顶板的最大位移来看，顶板的位移呈现逐渐转增加的趋势，由回采初期的9.55 cm，最后增加到14.2 cm。充填体位移在初始回采时增加了1 cm，当回采至第3步后，充填体位移一直为4 cm，随着空区暴露面积越来越大，充填体位移没有任何的改变，因此在保证充填体强度的条件下，充填体的稳定性较好。

2)方案二模拟结果分析

采场在从中间开始回采的过程中，空区两侧均受到一定范围内拉应力的作用，但是拉应力比较小，且范围不大。随着回采的不断推进，拉应力位置逐渐改变，回采接近完成后，空区顶板受到一定单位的拉应力，但是拉应力较小。最大压应力主要位于采场两侧底部和穿脉巷道的交界处。

空区顶板位移随着回采的不断推进位移量也在不断增加。充填体位移在回采初期由于先回采中间，充填体的位移偏大，最大位移量为6 cm，随着回采的推进，位移量到4 cm以后也不在变化。

3)方案三模拟结果分析

在采场回采一半后，拉应力很小，仅为0.21 MPa；最大压应力位于未回采采场和穿脉巷道交界处的底部区域，最大压应力为36.4 MPa，但是范围不大。空区顶板的最大位移为12.6 cm，空区两侧充填体最大位移为4 cm。

采场回采后充填，然后在进行回采，空区周边基本不受到拉应力的作用，空区周边的最大压应力下降，顶板的最大位移为14.1 cm，空区两侧充填体的位移为2 cm。

从以上的分析可知，按照充填方案模拟计算后，和二步骤原来的回采方案相比，没有明显的差别，而且该方案需要进行两次充填，一方面增加了封闭工程量，另外也会使充填工序更加繁琐，因此不建议采用该方案。

4)综合对比分析

采用从中间向两侧逐步回采时，顶板以及充填体的初始位移较大，采场空区中部区域是容易垮落的部位，因此不建议采用该方案。采用回采- 充填- 回采的方案时，尽管充填体不能够转移应力，但可以有效减轻顶板和充填体的变形，因此从保护空区的角度考虑具有较好的作用，但是该方案采用两次充填，充填工序复杂，采空区封闭工程量增加。因此，采用从采场单向侧逐步回采的方案。