程潮鐵礦聯合開采時回采順序的數值模擬優化

裴明松，許夢國，王　平，焦　驁，汪　創，張開新

(武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081)

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程潮鐵礦聯合開采時回采順序的數值模擬優化

裴明松，許夢國，王平，焦驁，汪創，張開新

(武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081)

摘要：程潮鐵礦的礦體隨著開采深度的增加而逐漸西移，導致選礦車間下保安礦柱所占礦量不斷增多，故擬采用聯合開采方法回收-430～-500 m階段礦體：充填法回收選礦車間下預留保安礦柱；無底柱分段崩落法開采保安礦柱以外的其他礦體。為了研究聯合開采時回采順序對地表穩定性的影響，采用數值模擬方法得到不同回采順序下地表監測點的垂直位移，確定地表沉降最小且施工組織容易的回采順序組合為最優方案，即充填法采用“中-左-右”以及無底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采順序。模擬開采結果表明，在該回采順序方案下，選礦車間區域的地表穩定性、充填采場及隔離礦柱的安全性均滿足要求。

關鍵詞：回采順序；聯合開采；采場穩定性；地表沉降；數值模擬

采礦活動的進行往往伴隨著礦區地應力的重新分布，合理的礦體開采順序能夠及時有效地釋放由于礦石開挖聚集的能量，減少對周圍巖體的擾動，并且能夠避免礦區形成應力集中區域，有效防止大規模突發性地壓活動的發生，因此，在國內很多礦山都進行過開采順序優化研究[1-6]，取得了較好的應用效果。

武鋼資源集團有限公司程潮礦業公司(以下簡稱程潮鐵礦)在-430～-500 m水平擬采用兩種方法聯合開采：①充填法回收保安礦柱；②無底柱分段崩落法回采保安礦柱以外的礦體。由于其礦體沿走向方向較長，聯合開采面臨著如何安排兩種采礦方法的回采順序以保障地表的穩定性以及采場的安全性問題。為此，本文采用數值模擬方法建立兩種方法聯合開采的計算模型，研究不同回采順序對礦區地表穩定性的影響，確定最優回采方案，并對該方案下的采場應力分布和安全性進行分析，以期為礦山的開采設計和施工管理提供參考。

1工程概況

程潮鐵礦過去一直采用無底柱分段崩落法回采礦石，當開采西區礦體時在選礦車間下面預留保安礦柱以保護廠區。礦體隨采深增加逐漸西移，選礦車間下保安礦柱所占礦量不斷增加，若不進行回收，采礦進入深部后可能面臨無礦可采的局面。由于充填法生產成本較高，且生產效率不如無底柱分段崩落法，因此，為了盡可能多地回收礦石資源，保障礦山經濟效益，經過采礦方案優選，確定在-430～-500 m階段采用充填法和無底柱分段崩落法聯合開采。根據礦區地質資料顯示，該階段礦體近東西方向長達1100 m。采用聯合開采方案時，沿礦體走向方向，充填法開采區域長度為300 m，無底柱分段崩落法開采區域長度為800 m。在選礦車間暫時不搬遷的情況下，有必要對聯合開采時地表的穩定性進行研究，從而選擇地表沉降最小同時又滿足充填采場以及隔離礦柱安全性要求的最優回采順序。

根據礦山礦體賦存情況以及聯合開采方案，在-430～-500 m階段的-482～-500 m分段中，無論是充填法開采區域還是無底柱分段崩落法開采區域均為最大，為了簡化研究，同時又要符合現場實際情況，以該分段為對象進行研究。沿礦體走向選擇典型斷面(見圖1)進行分析，該斷面中兩種方法聯合開采范圍較大，采礦活動對地表的影響也隨之增大，具有一定的代表性。圖1中，充填法開采礦體編號從左到右依次為23、22、…、11，無底柱分段崩落法開采礦體從左到右依次編號為7、8、9、10。根據程潮鐵礦充填試驗方案，聯合開采中充填法為上向水平充填，礦房寬度為13 m，礦柱寬度為7 m。

圖1　礦體開采示意圖

2聯合開采數值模擬

2.1計算模型

由于ANSYS有限元軟件具有強大的前處理能力，因此根據礦區的實際情況以及上述典型斷面，運用ANSYS Workbench建立與之對應的平面應力數值模型并劃分網格后將其導入Flac3D中進行數值運算。模型X、Y、Z方向長度分別為2000、10、1200 m，網格為四面體網格，總計單元84 199個、節點27 223個。

2.2模型初始條件及邊界條件

由于模型的上表面代表實際地表，因此上表面上不施加任何約束。模型邊界的水平應力約束由自重應力的水平分量以及構造應力的水平分量相互疊加形成，其中模型的自重應力σV及其水平

分量σH的計算公式[7]如下：

(1)

(2)

式中：γ為巖體容重；H為巖體賦存深度；μ為覆巖的泊松比。

構造應力中，最大主應力σ1為水平方向，σ1=1.27γH；最小主應力σ3基本與礦體走向垂直，σ3=0.44γH；次主應力σ2=12.7 MPa。

在模型的左、右側面施加水平位移約束，在其前、后側面施加固定位移約束，底部施加豎直約束。

2.3巖體力學參數

根據礦區地質資料，礦體上盤圍巖以大理巖和矽卡巖為主，下盤圍巖以花崗巖、閃長巖和矽卡巖為主[8]。數值計算中巖體的力學參數通過實驗室巖樣的參數折減獲得[9-10]，如表1所示。

2.4回采順序模擬方案

為了減小兩種采礦方法之間的相互影響，設置傾斜角度為62°、厚度為20 m的隔離礦柱作為兩種采礦方法的分界區。充填法和無底柱分段崩落法的回采順序均有“左-中-右”、“左-右-中”、“右-中-左”、“右-左-中”、“中-左-右”和“中-右-左”6種，如表2所示。兩種采礦方法的組合共計有36種回采順序模擬方案。

表1　數值計算中采用的巖體力學參數

表2　回采順序模擬方案

3數值模擬結果與分析

3.1最優回采順序方案

為了研究不同回采順序下的地表穩定性情況，在選礦車間區域地表距離塌陷坑邊緣0、20 m設置監測點，此后自西向東每隔30 m依次布設共計18個監測點來觀測地表沉降(見圖1)。在模擬礦體開采過程中記錄各個監測點的垂直位移，共計得到36組監測數據，其中部分結果如圖2所示。

圖2　不同回采順序下監測點的垂直位移

Fig.2 Vertical displacements of monitoring points in different stoping sequences

由圖2可見，不同回采順序下地表監測點的垂直位移值都隨著其與塌陷坑距離的增大而減小，表明聯合開采方案中無底柱分段崩落法對地表的穩定性影響較大，這與該方法的地壓管理方式有關。

從36種回采順序方案中選擇地表沉降較小的6種方案，其監測點的垂直位移如表3所示。由表3可見，在聯合開采方案下，當無底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采順序時，充填法無論采用何種回采順序，監測點垂直位移值均較小，且6種方案之間各監測點垂直位移值相差在0.01 mm以內。考慮到兩種采礦方法會相互影響，且其施工工藝不盡相同，為了減小聯合開采時施工組織管理方面的難度，應適當增加兩種采礦方法施工區域之間的距離，因此回采順序的最優方案為fmlr&clrm，即充填法采用“中-左-右”的回采順序、無底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采順序。

同時，根據數值模擬結果可知，引起地表監測點垂直位移值最大的回采順序最差方案為frlm&cmlr，即充填法采用“右-左-中”的回采順序且無底柱分段崩落法采用“中-左-右”的回采順序。分別按最優和最差方案開采引起的地表監測點垂直位移的對比如圖3所示。由圖3可見，兩種方案下地表監測點垂直位移的差值與監測點離塌陷坑的距離呈負相關，兩者最小差值為2.296 mm，最大差值為4.154 mm。

表3　采用6種較優方案的監測點垂直位移

3.2采場穩定性分析

礦體開采的過程是礦區應力重新分布的過程，應力的分布影響著采場的穩定性。下面通過模擬回采來檢驗上述最優方案是否能滿足下部采礦作業的安全性要求。根據數值模擬結果，采用最優回采順序聯合開采，礦區和采場區域的應力分布特征如圖4所示。從圖4(a)中可以看到，在塌陷區域以外，礦區應力主要為壓應力，且隨礦體深度的增加而逐漸增大，在地表區域局部位置以及無底柱分段崩落法開采區域底部出現拉應力。在塌陷區域松散巖體內的應力為不超過6 MPa的壓應力，且壓應力為4 MPa的區域面積較大，呈漏斗狀。在已充填區域、充填法采礦區域以及隔離礦柱區域，應力分布也較為有規律，如圖4(b)所示，應力大小未超過預留礦柱的抗壓強度，僅在無底柱分段崩落法開采區與隔離礦柱的交界面處出現了較小區域的應力集中，在實際采礦過程中加強該區域的支護即可保證其穩定性。

圖3　最優和最差方案下地表監測點垂直位移的對比

Fig.3 Comparison of vertical displacements of monitoring points between the best and worst schemes

(a)礦區應力分布

(b)采場區域應力分布

Fig.4 Stress distribution of the mining district in the best stoping sequence

同時，根據模擬開采結果可以得到充填采場和隔離礦柱的安全系數以及聯合開采過程中隔離礦柱的塑性區域，如圖5所示。由圖5(a)可以看到，按最優回采順序方案開采，充填采場的安全系數在1.8～2.2之間，隔離礦柱的安全系數在1.8～2.6之間，均滿足安全性要求。此外，由圖5(b)可以看到，在最優回采順序方案下，隔離礦柱中處于塑性區域的面積較小，且出現在與無底柱分段崩落法采場交界的區域，不會對隔離礦柱的穩定性產生不良影響。

(a)采場及隔離礦柱安全系數

4結語

程潮鐵礦同時采用兩種方法進行聯合開采時，最優的回采順序方案為充填法采用“中-左-右”的回采順序、無底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采順序。采用該方案在-482～-500 m分段礦體進行開采時，選礦車間區域地表各監測點的垂直位移較小，能滿足地表穩定性要求，充填采場和隔離礦柱中塑性區域面積較小，安全系數符合要求。同時，在該回采方案下，開采前期兩種采礦方法互不影響，便于施工組織管理。

本研究是采用有限元方法進行數值模擬，得到的結果與實際情況可能會有一定的差異。在施工過程中應該加強地表區域的監測和分析，根據現場情況進行合理調整，以期達到最優效果。

參考文獻

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[責任編輯尚晶]

Optimization of stoping sequence during combined mining at Chengchao Iron Mine by numerical simulation

PeiMingsong,XuMengguo,WangPing,JiaoAo,WangChuang,ZhangKaixin

(Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081,China)

Abstract:The location of ore body in Chengchao Iron Mine moves westward gradually with the increase of mining depth, which results in the ever-increasing ore quantities reserved for safety pillars under the dressing plant. So it is planned to stope the ore body ranging from -430～-500 m using combined mining: safety pillars under the dressing plant are recycled by filling method and the other ore body in the same district stoped by non-pillar sublevel caving method. To study the influence of combined mining sequence on the ground surface stability, the vertical displacement values of surface monitoring points are obtained by numerical simulation in different stoping sequences. The scheme causing the minimum ground settlement and being convenient for construction organization is chosen as the best one, i.e., stoping sequences of filling and non-pillar sublevel caving methods are “middle→left→right” and “left→right→middle”, respectively. Simulation results show that, in the best stoping sequence, both the stability of ground surface around the dressing plant and the safety of filling stope and partition pillars meet the requirements.

Key words：stoping sequence；combined mining；stope stability；ground surface settlement; numerical simulation

收稿日期：2015-12-21

作者簡介：裴明松(1991-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail: sunnypms@163.com通訊作者：許夢國(1958-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail: xumg2@263.net

中圖分類號：TD583

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)02-0107-05