安慶銅礦深部厚大礦體回采方案數值模擬研究

陶傳寶

(銅陵有色金屬集團股份有限公司, 安徽銅陵市 244000)

安慶銅礦深部厚大礦體回采方案數值模擬研究

陶傳寶

(銅陵有色金屬集團股份有限公司, 安徽銅陵市 244000)

安慶銅礦采用大直徑深孔嗣后充填采礦法回采深部厚大礦體,實踐表明,合理的開采順序是維護采場穩定、保證礦山安全開采的前提。對安慶銅礦深部厚大型主礦體開采技術條件進行了分析,并對開采方案進行了數值模擬分析比較,以實現深部厚大型主礦體安全順利回采。

大直徑深孔;水平礦柱;采場穩定性;充填體;三維數值分析

0 前 言

安慶銅礦是一座大型銅鐵地下礦山,設計采選能力3500 t/d。主礦體賦存標高-180～-780 m,為接觸交代矽卡巖型鐵銅礦床,走向125°～305°,傾向總體南西,部分北東,屬急傾斜礦體,平均厚度40～50 m,厚大區域達100 m。主礦體采用高階段大直徑深孔嗣后充填采礦法回采,采場一般垂直礦體走向布置,采場寬15 m,長為礦體厚度,采后一次性充填,其中礦房尾砂膠結充填,礦柱為尾砂充填。鑿巖設備為Simba-261型潛孔鉆機,炮孔直徑165 mm。采用ST系列鏟運機出礦,斗容3.8～4.0 m3。該方法具有生產能力大,采礦效率高,作業成本低,礦石損失、貧化小等優點。

1 開采方案研究

安慶銅礦1#主礦體西部厚大區域一直延伸至-640 m中段,-560～-580 m中段20 m水平隔離礦柱是否需要保留,-640 m中段采場與上部-560 m中段采場如何相互銜接以及-640 m中段的開采順序,都是開采-640 m中段必須要解決的問題。在綜合考慮1#礦體-400～-640 m中段開采方案的基礎上,進行1#礦體-560～-640 m中段厚大區域的開采方案數值模擬研究[1]。

本文針對-560～-640 m中段厚大區域提出了3種開采方案:方案1,保留-560～-580 m水平礦柱;方案2,不保留-560～-580 m水平礦柱, -560 m上下分采,即先采-560 m上部,再采-560 m下部;方案3,不保留-560～-580 m水平礦柱,礦房、礦柱垂直交錯布置。

采用大型三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D進行模擬開采,對開采方案的開采全過程進行數值模擬計算時,從巖體和充填體的破壞情況以及應力應變狀態等方面考慮,對比分析各開采方案的優劣,揭示其潛在的地壓問題,并論證方案的可行性。對于方案2和方案3,還設定了多組充填體強度指標分別進行計算,以確定這兩種方案的充填體強度標準。

1.1 巖體力學參數

數值模型中主要考慮礦體、閃長巖、大理巖和尾砂充填體。礦體下盤為閃長巖,礦體上盤為大理巖。現實中相對少量的矽卡巖歸至閃長巖一類中[2]。尾砂充填體共分為3類:灰砂比為1∶4的高強度尾砂膠結充填體,主要用于采場底部作為假底;灰砂比為1∶10的低強度尾砂膠結充填體,主要用于一步驟采場充填;非膠結尾砂充填體,不含水泥膠結材料,主要用于二步驟采場充填。計算模型中選用的巖體力學參數如表1、表2所示[2-4]。

表1 計算模型中的巖體力學參數

表2 數值模擬計算選用的充填體物理力學參數

1.2 地應力

安慶銅礦地應力以水平應力為主,水平應力大于垂直應力。最大主應力的方向基本水平,方位由上部的近東西向轉向下部的近北東-南西向。隨著深度的增加,地應力也隨之增大[2-4]。根據原巖應力測定結果,回歸得到安慶銅礦水平最大主應力、最小主應力和垂直應力值與巖體深度的關系式為:

式中,假定地表標高為+50 m,本文-580 m以下的地應力也由該組公式進行計算。

1.3 強度準則

本文對巖體材料采用具有弱化性能的虎克-布朗(Hoek-Brown)強度破壞準則:

式中,σs是在巖石峰值強度時的最大主應力,σ3是最小主應力,σc是巖石單軸抗壓強度,m和s為材料常數,它們取決于巖石性質和原始破裂狀況。此外,當拉應力超過材料的抗拉強度時,材料單元將發生拉破壞。而對充填體則采用莫爾-庫侖強度準則。

1.4 計算分析模型

FLAC3D特別適合于分析漸進破壞失穩以及模擬大變形,能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學特性。通過數值模擬可以得知巖土開挖后巖土體內部的特性及其破壞機理。因此,本文將選用FLAC3D軟件進行安慶銅礦深部厚大礦體開采方案的數值模擬研究。

三維計算模型的長、寬、高設置為680,300 m和530 m。模型長度方向為礦體的走向方向,模型寬度方向垂直礦體走向,模型高度范圍為標高-680～-150 m(見圖1)。

2 開采方案模擬分析

2.1 方案1

圖1 計算分析模型

方案1數值分析模型如圖2所示。-580～-640 m中段采用“隔一采一”的回采原則。-560～-580 m底臺暫不回采,先采-560 m上部,再采-580 m下部。P23下部礦房,采用尾砂膠結充填,底部高強度尾砂膠結充填體假底厚度為10 m。R3礦柱采場采用尾砂非膠結充填,底部高強度尾砂膠結充填體假底厚度為15 m。從-400 m以下開始計算開采步驟,這樣從-400～-640 m共分12步回采,依次是:

(1)11R12,7R12,3R12,2R12,6R1,10R1;

(2)11P23,9R12,5R12,1R12,4R1,8R1,12R1;

(3)4P23,9P23,5P23,1P23;

(4)9P1,5P1,1P1,4P1,8P1,12P1;

(5)7P23,3P23,2P23;

(6)7P1,3P1,2P1,6P1,10P1;

(7)13R23,9R3,5R3,1R3;

(8)11R3,7R3,3R3,2R3;

(9)9R4,5R4,1R4;

(10)7R4,3R4,2R4;

(11)9P4,5P4,1P4;

(12)7P4,3P4,2P4,4P4。

方案1的關鍵問題是-560～-580 m礦體底臺的穩定性,即在回采-580～-640 m中段時,水平礦柱能否起到安全隔離作用。因此,方案1的數值模擬計算將重點分析該水平礦柱的穩定性。

圖2 方案1數值分析模型

方案1數值模擬結果表明,當保留-560～-580 m水平礦柱時,20 m的水平礦柱只在下部第一步礦房回采時比較穩定,而在礦柱回采階段,水平礦柱的破壞將非常嚴重,難以保證-560 m下部礦柱回采的安全。

2.2 方案2

方案2數值分析模型如圖3所示。該方案先采-560 m以上部分,然后再采-560 m以下部分,在每采充完-580～-640 m中段單個采場之后,立即回采該采場上部的-560～-580 m底臺,這樣最終不保留水平礦柱。-560 m上下采場布置可以水平對齊,也可水平錯開,本文按水平對齊方式進行布置。-560 m以下采場仍按“隔一采一”的原則回采,其開采順序和充填方式與方案1基本相同。該方案-400 m以下可具體分16步回采,前8步與方案1相同,后8步依次為:

(1)13RZ,9R4,5R4,1R4;

(2)9RZ,5RZ,1RZ;

(3)11RZ,7R4,3R4,2R4;

(4)11PZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(5)9P4,5P4,1P4;

(6)9PZ,5PZ,1PZ;

(7)7P4,3P4,2P4;

(8)7PZ,3PZ,2PZ,4P4。

本方案-560 m中段采場的高強度膠結充填體假底及殘留的三角礦柱將構筑成-560 m的隔離層,該隔離層能否起到安全隔離作用是本方案下部采場能否安全回采的關鍵。因此,方案2的數值模擬計算將重點分析該隔離層的穩定性,并依此確定方案的可行性。

圖3 方案2數值分析模型

方案2數值模擬結果表明,當采用不保留-560～-580 m水平礦柱并且先采-560 m上部再采下部時,要求-560 m中段P23采場的假底厚度大于10 m,R3采場的假底厚度大于15 m,假底強度大于充填體1a標準(C＝0.9 MPa,φ＝30°,對應σc＝3.1 MPa),并且-560 m下部的礦房尾砂膠結充填必須能充分接頂。在此條件下由-560 m中段采場充填體假底和三角礦柱構成的水平隔離層才能起到安全隔離作用。

2.3 方案3

方案3數值分析模型如圖4所示。在-560 m上下采用礦房、礦柱垂直交錯布置方式。下部的R4和RZ為礦房,采用尾砂膠結充填,而上部的R3為礦柱,主要采用尾砂充填。R類采場是由-640 m中段開始向上回采,即先采充-580～-640 m,再采充-560～-580 m底臺,然后再回采-510～-560 m。

該方案數值模擬回采步驟可分為16步,前6步與方案1相同,后10步依次為:

(1)9R4,5R4,1R4;

(2)13RZ,9RZ,5RZ,1RZ;

(3)13R23,9R3,5R3,1R3;

(4)7R4,3R4,2R4;

(5)11RZ,7RZ,3RZ,2RZ;

(6)11R3,7R3,3R3,2R3;

(7)9P4,5P4,1P4;

(8)9PZ,5PZ,1PZ;

(9)7P4,3P4,2P4;

(10)11PZ,7PZ,3PZ,2PZ。

P23采場在-560 m中段采用的是尾砂膠結充填,其底部以10 m厚的高強度尾砂膠結充填體作為假底。R3采場及RZ采場將在-545～-565 m的20 m高度范圍內充填高強度尾砂膠結充填體,該尾砂膠結充填體與P23的假底及其殘留的三角礦柱共同構成了-560 m的水平隔離層。

圖4 方案3的數值分析模型

方案3數值模擬結果表明,當P23采場尾膠體假底厚度達到10 m,強度達到粘結力C＝0.9 MPa、內摩擦角φ＝30°,對應單軸抗壓強度σc＝3.1 MPa; R3和RZ的隔離層尾膠體厚度達到20 m(標高-545～-565 m),強度達到C＝1 MPa、φ＝35°,對應σc＝3.8 MPa時,由高強度尾膠體和殘留三角礦柱共同構成的-560 m水平隔離層能起到安全隔離作用,可以防止-560 m上部的尾砂充填體發生大規模的垮落。

3 結 語

通過對3種開采方案的數值模擬結果分析可知,方案1在礦柱回采階段,水平礦柱的破壞將非常嚴重,難以保證下部礦柱回采的安全,同時考慮安慶銅礦目前的充填工藝與充填技術,實現尾砂膠結充填充分接頂是比較困難的,而充填接頂對方案2的安全開采極為重要,因此方案1和方案2不可行。方案3中的R類采場則是從-640 m逐步向上回采,因此在-560 m不存在充填接頂問題,同時采用高強度尾砂膠結充填體構筑成的隔離層能夠滿足開采安全性的要求。

研究認為,在所分析的3種開采方案中,方案3具有更好的可行性,因此采用不保留-560～-580 m水平礦柱,礦房、礦柱垂直交錯布置的開采方案進行深部厚大礦體的回采。

[1]高 進.豐山銅礦北緣采礦方法優化比較好[J].采礦技術, 2011,11(6):14-17.

[2]唐紹輝.安慶銅礦巖體穩定性的工程地質研究[J].礦業研究與開發,1997,17(1):30-33.

[3]李 政.安慶銅礦2#礦體開采穩定性研究[J].湖南有色金屬,2006,22(5):1-3.

[4]胡飛宇.安慶銅礦特大型采場充填體穩定性數值模擬研究[J].有色金屬(礦山部分),2006,58(3):14-17.

2012-04-01)

陶傳寶(1962-),男,江蘇南京人,采礦工程師,主要從事礦山采礦技術管理工作,Email:taocb@tlys.cn。