厚大礦床階段嗣后充填采場逐段優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值分析

董璐，楊志強(qiáng), 2，高謙，李茂輝，王有團(tuán)

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厚大礦床階段嗣后充填采場逐段優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值分析

董璐1，楊志強(qiáng)1, 2，高謙1，李茂輝1，王有團(tuán)1

(1. 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京，100083；2. 金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌，737100)

針對厚大礦床階段嗣后充填采礦設(shè)計采用單一和確定的采場結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)的局限性，提出采場逐段優(yōu)化設(shè)計方法。以河北省灤縣司家營鐵礦南區(qū)為工程背景，綜合考慮安全生產(chǎn)和礦巖穩(wěn)固條件存在的差異性，選擇與之相適應(yīng)的間隔式、對角式和點(diǎn)柱式的采場結(jié)構(gòu)類型；從首采階段開始，按照階段開采順序，以盤區(qū)采礦成本為優(yōu)化目標(biāo)，采場安全系數(shù)、地表巖移和礦石損失率為約束條件，借助FLAC3D三維數(shù)值模擬分析軟件逐段建立階段嗣后充填采場設(shè)計的優(yōu)化模型，獲得各個階段的采場結(jié)構(gòu)型式和優(yōu)化參數(shù)。通過對最優(yōu)方案的數(shù)值分析，研究和評價分段采礦設(shè)計地表巖移、圍巖應(yīng)力和采場穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：逐段優(yōu)化設(shè)計是實(shí)現(xiàn)厚大貧礦床安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)，對礦床生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

階段嗣后充填；逐段優(yōu)化；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性評價

隨著充填新工藝、新材料和新方法的研究和應(yīng)用成果層出不窮，充填采礦技術(shù)與理論越來越受到人們的重視。目前，45%的有色金屬大中型地下礦山以及37%黃金中小型地下礦山均采用充填采礦法。作為應(yīng)用較廣泛的采礦手段，階段嗣后充填法不僅能最大限度地回采各種復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的難采深部礦體，提高盤區(qū)生產(chǎn)能力，而且可以擴(kuò)大尾礦等廢棄物用量，保護(hù)礦山環(huán)境，降低采礦成本，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)效益的提升[1?4]。但嗣后充填法階段高度較高、采場面積較大，開挖對圍巖穩(wěn)定性和地表巖移影響較大[5?7]，因此，如何合理設(shè)計采場單元和結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率低貧損回采井下礦產(chǎn)資源是一個復(fù)雜的技術(shù)難題。針對不同的回采條件和礦巖穩(wěn)固性在空間上的復(fù)雜多變，國內(nèi)外在礦產(chǎn)資源開采時，常常發(fā)現(xiàn)單一的采礦方法達(dá)不到良好的效果[8?12]。一方面，采用相同的采場結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計參數(shù)，對較穩(wěn)固的礦巖可能偏于保守，限制了充填采礦生產(chǎn)能力；另一方面，對于穩(wěn)定性較差和水文條件復(fù)雜的礦巖，采礦活動必將改變地層的滲透特性，勢必增大采場涌水和突水災(zāi)害的危險性：因此，需要多種采場模式結(jié)合開采。本文以河北省灤縣司家營鐵礦南區(qū)為工程背景，提出根據(jù)不同回采階段礦巖穩(wěn)固條件的差異性，采用3種不同的采場結(jié)構(gòu)型式。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬手段逐段優(yōu)化相應(yīng)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，揭示圍巖應(yīng)力、地表變形規(guī)律及采場的穩(wěn)定性分析，以便為后期采礦提供安全保障。

1 工程概況

司家營鐵礦位于河北省灤縣境內(nèi)，目前已探明鐵礦石儲量為14.5億t，是我國東部地區(qū)少見的特大型鐵礦床，分南、北2區(qū)。司家營鐵礦南區(qū)是1座平均厚度達(dá)207 m，傾角為30°~60°，埋深0~500 m，品位僅為30.9%的厚大貧鐵礦，礦區(qū)上部賦存100~120 m的第4系含水層，地表有需要保護(hù)的村莊和農(nóng)田。為了安全、高效、環(huán)保的開發(fā)和利用礦石資源，河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司采用2 000萬t/a超大生產(chǎn)能力的上向階段嗣后充填采礦法，即將礦體自下向上劃分為3個100 m高的出礦階段，再采用分段鑿巖和嗣后充填進(jìn)行4步回采。1步先采礦房，2步膠結(jié)充填，3步再采礦柱，4步尾砂充填。該采礦方法具有工藝簡單、采準(zhǔn)工程量少、礦石回采率高等優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為礦區(qū)階段開采順序。

圖1 階段開采順序

2 逐段優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 采場結(jié)構(gòu)型式選擇

目前，司家營鐵礦南區(qū)下部?450~?150 m采礦設(shè)計采用單一和確定的采場結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計參數(shù)。其設(shè)計方法不能適應(yīng)厚大礦床復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，具有局限性。考慮礦區(qū)階段圍巖穩(wěn)固條件存在差異性，提出了點(diǎn)柱式、對角式和間隔式3種采場結(jié)構(gòu)型式[13?16]相結(jié)合的開采設(shè)計方案。間隔式回采適宜穩(wěn)固類礦巖開采，盤區(qū)劃分為礦房和礦柱，采用隔一采一的回采順序，能滿足超大生產(chǎn)能力和大型出礦設(shè)備的要求；對角式回采盤區(qū)沿礦體走向布置2個礦塊，對角開采，此采礦模式可以降低一步大跨度開采造成的采場冒落、塌方以及充填體破壞剝落的風(fēng)險；對于埋藏較淺、穩(wěn)固性較差的礦巖，控制地表巖層移動是首要考慮問題，因此，留設(shè)一定數(shù)量的永久性礦柱是維護(hù)采場穩(wěn)定性和控制地表巖移的必要手段，但是點(diǎn)柱的留設(shè)勢必造成回采率下降，故要通過合理優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)安全開采與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

礦床勘探資料顯示，礦區(qū)?450 m階段埋藏最深，圍巖地質(zhì)力學(xué)分級(RMR)為70，穩(wěn)固性最好；?250 m階段巖體RMR為55，屬于Ⅲ類圍巖；而?150 m階段礦巖風(fēng)化嚴(yán)重，且賦存于第4系含水層下，穩(wěn)定性最差。基于上述3種回采模式特點(diǎn)，南區(qū)各階段采場結(jié)構(gòu)類型依次為間隔式→對角式→點(diǎn)柱式。

2.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

分段優(yōu)化方法不僅能夠選擇與礦巖穩(wěn)定條件相適應(yīng)的采場結(jié)構(gòu)型式，而且可以在滿足安全高效采礦的前提下優(yōu)化采場參數(shù)。采場參數(shù)不僅影響采場的穩(wěn)定性，而且直接關(guān)系到礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。

對于不同的采場型式和回采工藝，采礦設(shè)計參數(shù)也不盡相同。首先從?450 m階段開始，考慮本階段采用具有超大生產(chǎn)能力的隔一采一的回采順序，同時兼顧技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2個方面，于是，間柱寬度、礦房(礦柱)寬度、頂板厚度、1步礦房膠結(jié)充填體強(qiáng)度和頂板充填體強(qiáng)度是該階段采礦設(shè)計參數(shù)。

以?450 m階段優(yōu)化設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，開展?350 m階段參數(shù)優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)?450 m和?350 m階段優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行?250 m階段的采礦優(yōu)化設(shè)計，合理選擇與回采順序相適應(yīng)的礦房寬度、礦柱寬度、頂板厚度、1步礦房膠結(jié)充填體強(qiáng)度和頂板充填體強(qiáng)度5個參數(shù)。其中，?250 m階段增加了點(diǎn)柱尺寸的優(yōu)化設(shè)計。綜合考慮采場生產(chǎn)能力、盤區(qū)無軌設(shè)備作業(yè)的安全性、充填體自立性等要求，以便構(gòu)成穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu)，各參數(shù)的取值范圍如表1所示。

(a) 間隔回采；(b) 對角回采；(c) 點(diǎn)柱回采

表1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

3 分段優(yōu)化實(shí)施步驟

3.1 采場建模

為模擬采礦過程中覆巖與采場穩(wěn)定性受采動影響的過程，以各階段地質(zhì)平面圖、橫剖面圖以及采場盤區(qū)設(shè)計尺寸為建模的基礎(chǔ)資料。根據(jù)各階段剖面的工程地質(zhì)、巖性、礦體的分布，建立采場及其影響區(qū)域的三維模型。

采場盤區(qū)沿礦體走向布置，長120 m。盤區(qū)劃分為礦房和礦柱，礦體傾角為46°。礦體影響范圍上部取至地表25 m，下側(cè)由礦體底板最低點(diǎn)向下90 m，前、后、左、右4個面由礦體邊緣向外200 m，上邊界施加重力荷載。

基于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交設(shè)計和力學(xué)參數(shù)，如表2所示。采用FLAC3D軟件依次建立各階段莫爾?庫侖彈性模型進(jìn)行數(shù)值分析，獲得各階段正交方案采場巖移參數(shù)。

表2 介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 優(yōu)化模型確定

采用統(tǒng)計回歸分析[17]和參數(shù)擬合方法，得到地表巖移參數(shù)與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。以階段盤區(qū)采礦經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)，以采場穩(wěn)定性、巖移參數(shù)和礦石損失率為約束條件，建立并求解各階段的采礦優(yōu)化模型(式(1)~(6))：

(2)

(3)

(5)

(6)

式中：x(=1, …, 6)為采場優(yōu)化參數(shù)；為地表傾斜值；為地表水平應(yīng)變；為地表曲率；為礦石損失率；為損失礦石量；為盤區(qū)礦石總量；F為4步回采的安全系數(shù)。

3.3 最優(yōu)方案確定

基于上述優(yōu)化模型，從首采階段開始按照開采順序逐階段依次求解，最終獲得各階段的采場優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，從而完成整個礦床的多階段嗣后充填法采礦設(shè)計。表3所示為優(yōu)化結(jié)果與評價指標(biāo)。

表3 采場參數(shù)分段優(yōu)化結(jié)果

4 基于優(yōu)化方案的模擬結(jié)果分析

4.1 地表巖移分析

根據(jù)優(yōu)化的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)建立礦體三維數(shù)值模型如圖3所示。該模型長×寬×高為207 m×300 m×380 m，劃分的單元數(shù)為110 841。采場影響區(qū)域由上到下依次為第4系、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶以及深部圍巖。

圖3 三維數(shù)值計算模型

按照實(shí)際開采順序進(jìn)行回采充填后，選擇地表最大沉降點(diǎn)垂直于礦體走向剖面如圖4所示。由圖4可知：地表最大沉降中心隨開采步向下盤方向移動，最大傾斜為1.121 mm/m，最大曲率為0.022 1 /km，最大水平變形為0.715 3 mm/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表巖移控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次設(shè)計參數(shù)可以有效控制地表巖移。

圖4 地表最大沉降云圖

圖5所示為各階段礦體回采結(jié)束后地表沉降曲線。從圖5可見：隨著3個階段開采充填的推進(jìn)，地表沉降量逐漸變大；前2個階段開采對地表影響不大，?250 m階段礦房開采充填后，地表沉降急劇變化，導(dǎo)致2步礦柱開采充填后，最大沉降迅速增大到143.3 mm，沉降中心基本沒變。

1—?450 m階段礦房開采充填完畢；2—?450 m階段礦柱開采充填完畢；3—?350 m階段礦房開采充填完畢；4—?350 m階段礦柱開采充填完畢；5—?250 m階段礦房開采充填完畢；6—?250 m階段礦柱開采充填完畢

4.2 應(yīng)力分析

圖6所示為模型在自重和構(gòu)造應(yīng)力下達(dá)到初始平衡后進(jìn)行開挖、充填的計算應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖，圖7所示為塑形區(qū)域。從圖6和圖7可以看出：

1) 當(dāng)?450 m階段開挖并充填以后，采場上方的垂直應(yīng)力向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，采場兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著?350 m和?250 m階段的依次開挖充填，3個階段應(yīng)力依次增大，最大主應(yīng)力由兩側(cè)傳遞至礦體底部和頂部圍巖，靠近上、下盤圍巖的礦體底部角點(diǎn)以及采場頂部角點(diǎn)成了應(yīng)力集中區(qū)。

2) 在整個開采充填階段內(nèi)，隨著施工步的推進(jìn)，圍巖的應(yīng)力分布呈周期性變化。礦房開挖后，使得原來作為支撐作用的礦體被開挖出來，導(dǎo)致礦柱應(yīng)力增大，但充填后開挖面周圍應(yīng)力集中又有所減小。從圖6可見：分步開采時，充填體不僅起到支護(hù)作用[18?19]，更主要是具有應(yīng)力吸收作用，降低了采場圍巖的應(yīng)力集中，相對提高了圍巖自身的強(qiáng)度和承載能力，起到了穩(wěn)定采場的作用。

3) 在完全開挖的過程中，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)了剪切破壞，而尾砂充填體出現(xiàn)大面積的拉伸破壞(見圖7(a))。原因在于尾砂內(nèi)聚力低，不能起到原有礦體的支撐作用。同時采場人工頂板完全處于彈性狀態(tài)未出現(xiàn)破壞，這足以說明本次頂板充填強(qiáng)度設(shè)計是合理的。但由于?150 m以上風(fēng)化層強(qiáng)度較低，在采礦擾動下，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 在圖7(b)所示點(diǎn)柱塑形區(qū)分布階段，點(diǎn)柱僅在上端及四周有零星的剪切破壞，沒有發(fā)現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，點(diǎn)柱是安全的。

(a) ?450 m階段礦房開挖；(b) ?450 m階段礦房充填；(c) ?450 m階段礦柱開挖；(d) ?450 m階段礦柱充填；(e) ?350 m階段礦房開挖；(f) ?350 m階段礦房開挖；(g) ?350 m階段礦柱開挖；(h) ?350 m階段礦柱充填；(i) ?250 m階段礦房開挖；(j) ?250 m階段礦房充填；(k) ?250 m階段礦柱開挖；(l) ?250 m階段礦柱充填

(a) 采場塑形區(qū)；(b) 點(diǎn)柱塑性區(qū)

4.3 采場穩(wěn)定性分析

基于優(yōu)化模型計算階段嗣后充填回采過程的采場安全系數(shù)，計算結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：前2個階段安全系數(shù)均大于1.10，采場穩(wěn)定，第3階段圍巖質(zhì)量較差，埋深較淺，誘導(dǎo)開挖后采場處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。膠結(jié)充填體的安全性明顯高于尾砂充填，這與應(yīng)力分析結(jié)果基本相符。

表4 分段回采過程安全系數(shù)計算結(jié)果

相對間隔和對角回采模式，礦柱開采后安全系數(shù)明顯下降，?250 m階段預(yù)留點(diǎn)柱作為支撐系統(tǒng)，安全系數(shù)變化幅度減小，增加了采場安全性。

5 結(jié)論

1) 針對河北灤縣司家營鐵礦南區(qū)階段嗣后充填法的實(shí)際情況，提出了逐段優(yōu)化設(shè)計方法與實(shí)施步驟。采用此方法不僅能夠選擇與階段礦巖穩(wěn)定條件相適應(yīng)的采場結(jié)構(gòu)型式，而且可以在滿足采場穩(wěn)定要求、控制地表巖移的前提下給出優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相鄰階段優(yōu)化設(shè)計的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，最大限度地回收貧礦資源，解決了厚大貧鐵礦床的安全高效開采以及固體廢棄物的綜合利用存在的問題，為其他礦山提供借鑒和參考。

2) 礦體開采導(dǎo)致采場附近的應(yīng)力發(fā)生變化，地表呈現(xiàn)橢圓沉降區(qū)且最大值向下盤方向移動，采場頂、底部靠近上、下盤的角點(diǎn)均有不同程度的應(yīng)力集中，而采場充填后，由于充填體的應(yīng)力吸收作用，應(yīng)力集中程度減小。

3) ?250 m階段存在埋深淺、上部巖層風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度低等特征，在留設(shè)一定點(diǎn)柱的前提下開采礦體能夠?qū)?yīng)力集中局限在一定的圍巖范圍內(nèi)，提高了采場的整體穩(wěn)定性。

4) 隨著礦體的逐步開挖，采場塑性區(qū)面積依次增大，穩(wěn)定性依次降低。因此，在實(shí)際采礦過程中應(yīng)采用有效地現(xiàn)場監(jiān)測工具對回采過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測并對頂部巖層采用長錨索進(jìn)行加固處理，以便保障生產(chǎn)安全進(jìn)行。

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Segmented optimal design and numerical analysis on stope for heavy deposit using stage backfilling method

DONG Lu1, YANG Zhiqiang1, 2, GAO Qian1, LI Maohui1, WANG Youtuan1

(1. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mine, Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing, Beijing100083, China;2. Jinchuan Group Co. Ltd., Jinchang 737100, China)

Segmented optimal design method was introduced to address the limitations of heavy deposit stage backfilling design used a single, determinate the type and parameters of stope structure. Taking the south of Sijiaying Iron Mine in Luanxian of Hebei province as engineering backgrounds, the differences between production conditions and rock solid were taken into account, and the corresponding interval-type, diagonal and point-pillar of stope structure types were selected. Stage production order was used from the first stage. Taking mining costs as the optimization goal, security coefficient of stope, ground movement and ore loss rate as the constraint conditions, patterns and stope structure optimization parameters of all stages and stage backfill mining design optimization model of stop were gained by the three-dimensional numerical simulation analysis software FLAC3D. Research and evaluation of ground movement, stress and surrounding rock in mining design of stope stability were studied by the numerical analysis of best practices.The results show that the segmented optimal design is the key to achieving safety and high efficiency mining in thick and large poverty deposit technology, which has certain implications for the future.

stage backfilling; stage-by-stage optimal; structural parameters of stope; numerical simulation; estimation of stability

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.040

TD853

A

1672?7207(2015)07?2679?07

2014?10?18；

2014?12?20

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2010CB731501)；河北省鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級專項資金資助項目(SJGS-KJ-12-03) (Project(2010CB731501) supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China; Project(SJGS-KJ-12-03) supported by Hebei Iron and Steel Industry Technical Upgrade Special Funds)

高謙，博士生導(dǎo)師，教授，從事巖石力學(xué)和充填采礦工程的研究；E-mail: gaoqian@ces.ustb.edu.cn

(編輯 羅金花)