新城金礦中段頂柱盤區回采順序優化*

關 凱 朱萬成 張洪訓 王青元 魏晨慧

(東北大學資源與土木工程學院)

進行礦山開采，不同的回采順序會對采場和圍巖的應力場、位移場以及穩定性產生不同程度的影響［1-2］。采用合理的礦體回采順序，不僅可以改善巖體的應力分布狀態，還能控制由于多次采動影響造成的應力增高帶相互重疊的程度［3］。因此，確定合理的回采順序是礦山進行安全、高效生產的重要環節。國內不少專家學者對此進行了研究。通過分析比較不同回采順序下采場和圍巖的應力、位移等分布狀態，確定了最優的開采方案［4-5］。郭立等［6］對冬瓜山礦床的回采順序進行了模擬分析，認為采用屈服函數作為地下工程穩定性的判定準則是可行的。采場圍巖能量釋放率和體積閉合量也可作為綜合評價采場穩定性的重要依據［7-8］。Wang等［9］和陳新勝等［10］通過數值模擬方法，定量地計算了回采過程中采場位移、應力隨每步回采的動態變化過程，對采場的穩定性做出了直觀的判斷。

然而，上述文獻在對不同回采順序的模擬結果進行比較時，考慮到的參數指標不夠完善，并且對具有不同開挖步數的回采順序間的分析對比研究得較少。因此，為了較清晰全面地分析結果，本研究基于巖體結構面非接觸掃描方法，對新城金礦Ⅴ#礦體－580 m中段頂柱采場頂板和邊幫進行了結構面調查，并依據Hoek－Brown準則［11］計算得到了巖體的物理力學參數，運用有限元數值分析軟件COMSOL－Multiphysics模擬分析了－580 m中段頂柱盤區在4種回采順序條件下關鍵部位的應力、位移的動態變化過程，再結合各方案頂板的破壞情況，最終確定出最優的回采順序。

1 工程概況

新城金礦Ⅴ#礦體－580 m中段頂柱位于171～187勘探線，標高在－536 m～－530 m。礦體走向北東31°，傾向北西，傾角35°。礦體沿走向長約240 m，平均水平厚度72 m，礦石量258 829 t，礦石品位2.66 g/t，含金屬量687.8 kg。頂柱普氏系數f=6～8，礦巖較為破碎，裂隙發育，穩固性較差。根據初步設計方案，礦體開采采用機械化盤區上向進路充填采礦法，采場以盤區形式布置。

2 數值模型

2.1 創建三維模型

創建合理的三維模型是進行數值模擬和分析的基礎和前提。根據新城金礦Ⅴ#礦體的賦存條件及開采現狀，建立了三維計算模型，見圖1(圖中深色部分即為－580 m中段頂柱)。

圖1 三維計算模型(單位:m)

模型高度取地表以下400～700 m，長500 m，寬450 m;頂柱位于－536～－530 m，沿走向最大長度為220 m，垂直走向最大寬度為130 m，厚為6 m，傾角為35°。礦體中有4個隔離礦柱，將頂柱劃分為6個盤區。沿礦體走向的隔離礦柱寬為6 m，其他垂直于走向的隔離礦柱寬分別為10 m、15 m和10 m，并且在隔離礦柱中均開挖有鑿巖或出礦巷道，巷道尺寸為3.1 m×3.2 m。在頂柱上方設置有1 m厚的人工假頂，假頂和頂柱上下分別有50 m厚的充填體。

采用四面體單元進行網格劃分，對模型中的核心部分(盤區、人工假頂等)盡可能地細化，而對其他相對不是很重要的輔助部分劃分得粗略一些。本次共劃分單元總數達91 444個，共計46 590個自由度。

2.2 物理力學參數

為了盡可能真實地反映巖體的力學信息，采用3GSM非接觸數字掃描系統，構建巖體表面真三維數字模型，并對其進行處理，得到巖體大量、翔實的幾何測量數據，再結合廣義Hoek－Brown準則計算得到巖體的物理力學參數，見表1。

表1 物理力學參數

2.3 控制方程及約束、屈服條件

2.3.1 固體力學平衡方程

固體變形的彈性力學平衡微分方程為

式中，σij，j為應力張量，Fi為體積力。

假定介質為各向同性的彈性介質，故其滿足以總應力張量σij和應變張量εij表達的彈性本構關系。本構方程的表達式為

式中，Dijkl為彈性張量，對各向同性的彈性介質，其值只與彈性模量和泊松比有關。

2.3.2 邊界條件

本次模擬研究中初始地應力的計算是依據北京科技大學在新城金礦現場測量所得的地應力回歸方程［12］

式中，σh，max，σh，min和σv分別為最大、最小水平地應力以及垂直地應力，MPa;H為埋深，m。其中最大水平地應力垂直于礦體走向，最小水平地應力沿著礦體走向。

上述應力邊界條件分別施加于模型的2個相鄰側面及上頂面，其余邊界均采取法向位移約束。

2.3.3 屈服準則

由于巖土材料屬于粒狀體材料，主要依靠顆粒間的摩擦承受荷載，因此，其變形或破壞受摩擦力的控制;當材料中剪應力和正應力的共同作用克服了粒子間的摩擦力時，材料即會發生破壞。因此Mohr－Coulomb準則在巖體工程中應用得比較廣泛，其屈服函數為

式中，σ，σ3分別為第一和第三主應力;σc，σt分別為材料抗壓強度和抗拉強度;c，φ分別為內聚力和內摩擦角。

上述屈服函數表明在σ1滿足一定條件，且當f＞0時，材料即發生剪切或拉伸破壞。

3 回采順序方案

考慮礦體的開采技術條件，提出4種可能的盤區回采順序。回采工藝的原則為先采上盤后采下盤，在對頂柱某盤區進行回采的同時，充填上一步回采后的采空區。具體回采順序方案參見圖2。

圖2 頂柱平面

1—1#隔離礦柱;2—2#隔離礦柱;3—3#隔離礦柱;4—4#隔離礦柱;

5—3#聯絡巷;6—2#聯絡巷;7—1#聯絡巷;8—運輸巷;

方案1:從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區，再依次回采下盤所有盤區，盤區回采順序為

方案2:從左至右順序回采，上下盤相鄰盤區依次回采，回采順序為

方案3:從兩邊至中間順序回采，先回采上盤所有盤區，再回采下盤所有盤區，盤區回采順序為

方案4:從兩邊至中間順序回采，上下盤相鄰盤區依次回采，回采順序為

其中方案1和方案2為6步開挖過程，方案3和方案4為4步開挖過程。

4 模擬結果分析

對頂柱的回采是一個多步開挖的加卸載過程，不同的回采順序會使巖體產生不同的力學響應。所以只有通過大量的計算和分析，比較不同順序下的應力、位移和破壞區動態變化過程，才能確定最安全可靠的回采方案［13］。

4.1 方案1和方案2的優化分析

4.1.1 主應力對比分析

應力分析結果表明，隨回采的推進，待采頂柱以及采空區頂板均出現了較大范圍的壓應力集中，而隔離礦柱特別是1#隔離礦柱不僅出現壓應力集中，局部也出現了較大的拉應力。方案1和方案2的人工假頂、頂柱和隔離礦柱主應力對比結果如圖3所示。

圖3 主應力對比曲線

由統計結果可知，只有待采頂柱的第三主應力方案1比方案2小，其他指標均有方案2優于方案1，顯然，方案2的回采順序較優。

4.1.2 位移對比分析

在位移分析中，豎直位移比水平位移更重要，因為較大的豎直位移可能會引起頂板冒落。在頂柱的回采過程中，采場以及與最大地應力方向垂直的運輸巷的頂板穩定情況關乎整個回采作業的安全和施工進度，必須予以認真研究。采場和運輸巷的頂板下沉量對比曲線如圖4所示。方案1和方案2分別回采至中期第5步和第4步(均對應于回采22盤區)時，采場頂板下沉量增幅最大，這是由于22盤區采場暴露面積較大的緣故。從圖可看出，2個方案在采場頂板下沉量上難分優劣，而方案1的運輸巷頂板穩定性比方案2好。故綜合考慮可得，方案1較優。

圖4 頂板下沉量對比曲線

4.1.3 破壞區對比分析

材料破壞情況是分析穩定性的重要依據，當應力達到峰值強度后，材料將發生破壞，其承載能力會大大降低。

在回采過程中，充填體和1#隔離礦柱主要發生拉伸破壞，而采場頂板和其他隔離礦柱主要為壓剪破壞。圖5和圖6分別為回采末期采場和隔離礦柱以及采場頂板的破壞區對比圖(圖中負值和正值區域分別表示發生拉伸破壞和壓剪破壞程度;0表示結構穩定，不發生破壞)。

圖5 采場、隔離礦柱破壞區對比

圖6 采場頂板破壞區對比

對方案1，采場和隔離礦柱以及頂板的破壞區體積分別為40 016 m3和9 000 m3;對方案2，則分別為40 934 m3和9 005 m3。從中可知，采用方案1能使采場等產生的破壞區體積更小，因此方案1更優。

綜合比較以上各個因素得出，在方案1和方案2中應該優先考慮采用方案1的回采順序。

4.2 方案3和方案4的優化分析

4.2.1 主應力對比分析

與前述應力分析方法相同，研究方案3和方案4人工假頂、頂柱和隔離礦柱的主應力情況，比較結果如圖7所示。

可見，相比于方案3，方案4能使人工假頂和隔離礦柱中的應力更小，是更優的回采順序。

4.2.2 位移對比分析

圖8為運輸巷和采場的頂板下沉對比曲線。方案3和方案4的采場頂板下沉量差異不大，而在運輸巷頂板下沉指標上前者明顯優于后者，特別是在第2步回采時，方案3頂板下沉量遠遠小于方案4。因此，從頂板下沉量來看，方案3較優。

4.2.3 破壞區對比分析

分別比較回采末期方案3和方案4采場、隔離礦柱以及采場頂板的破壞區大小，如圖9和圖10所示(正負值數值含義同圖5和圖6)。

圖7 主應力對比曲線

經計算得到，方案3采場和隔離礦柱以及頂板的破壞區體積分別為39 320 m3和9 006 m3，而方案4分別為40 606 m3和9 008 m3。通過對比可知，方案3為較優方案。

綜上所述，方案3總體上優于方案4，為可考慮采用的方案。

4.3 最優方案的選定

圖8 頂板下沉量對比曲線

圖9 采場、隔離礦柱破壞區對比

圖10 采場頂板破壞區對比

對各方案的分析可發現，在每步回采時，1#和2#隔離礦柱在整個頂柱中幾乎分別承受最大的拉應力和壓應力，破壞較嚴重;在回采22盤區時，采場頂板下沉量增幅最大，對回采和充填作業構成較大威脅。因此，為在方案1和方案3中選出最優者，本文綜合考慮以上各因素并結合回采末期相關指標的大小關系來進行優化分析。

由表2可知，方案1的1#和2#隔離礦柱破壞區均比方案3小，但差值不足6 m3;其余指標兩者相差不大，這說明采用方案1比方案3略優。

表2 回采過程中相關參數最大值統計結果

回采結束后，方案1和方案3關鍵部位破壞區大小以及采場和各巷道的頂板下沉量模擬結果如表3所示。可見，兩者在聯絡巷及采場的頂板下沉量上差別不大;雖然采用方案1使采場、隔離礦柱形成的破壞區比方案3稍大，卻更有利于采場頂板的安全，也使運輸巷頂板下沉量達到最小。因此，綜合來看，采用方案1更合理。

表3 回采結束后破壞區體積及頂板下沉量統計結果

以上2個方案的優化分析表明，當采用從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區，再依次回采下盤所有盤區的回采順序時，頂板等處于最有利的力學狀態，所以將方案1確定為頂柱盤區回采的最優方案。

5 結論

(1)在不同的回采順序下，頂柱及頂板呈現不同的應力狀態和破壞程度，說明采場的穩定性與回采順序密切相關。

(2)采用從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區，再依次回采下盤所有盤區的回采順序，有利于回采區域在開挖過程中結構的穩定，為最優的回采順序。

(3)回采過程中，1#和2#隔離礦柱應力集中，充填體破壞嚴重，22盤區回采時采場頂板下沉量增幅最大，需加強支護，采用更高強度的充填體。

［1］ 朱維申，何滿潮.復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學［M］.北京:科學出版社，1996.

［2］ Zhu Weishen，Li Shucai.Optimizing the construction sequence of a series of underground openings using dynamic construction mechanics and a rock mass fracture damage model［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000(3):517-523.

［3］ 王御宇，李學峰，李向東.深部高應力區卸壓開采研究［J］.礦冶工程，2005，25(4):4-7.

［4］ Zeng Qianbang，Cheng Guoming，Liu Huanyu.The influence of Auger mining excavation sequence on inter-hole pillar stability below the final highwall of a surface coal mine［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2006(7):1134-1138.

［5］ 喬 蘭.新城金礦深部采場結構參數和開采順序優化研究［J］.金屬礦山，2001(6):11-15.

［6］ 郭 立，吳愛祥，邵 武.冬瓜山礦床開采順序的數值模擬分析［J］.化工礦物與加工，2002(3):10-13.

［7］ 閆道全，周克良.小鐵山礦沿走向回采順序的三維有限元優化［J］.西部探礦工程，1998(1):64-67.

［8］ 李學鋒，李向東，周愛民.凡口鉛鋅礦深部礦體開采順序研究［J］.金屬礦山，2004(12):12-14.

［9］ Wang Shuren，Wang Hu，Li Yong，et al.Optimization analysis of mining sequence to danhou coal mine under complicated hydrogeological conditions［J］.Advanced Materials Research，2012(3):2992-2997.

［10］ 陳新勝，王劍波，劉性峰.基于圍巖穩定性的階段中礦塊開采順序的數值模擬優化［J］.西部探礦工程，2007(8):107-110.

［11］ Hoek E，Carranza-Torres C，Corkum B.Hoek-Brown failure criterion-2002 edition［C］∥Proceedings of 5th North American Rock Mechanics Symposium.Toronto:［s.n］，2002:267-273.

［12］ 張大磊.新城金礦Ⅴ號礦體－580 m采場開采方式優化研究［J］.山西建筑，2012(19):94-95.

［13］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.