內蒙古某鉛鋅礦采場結構參數優化

周富華 徐學員 徐宏偉

(1.吉林板廟子礦業有限公司；2.內蒙古自治區第十地質礦產勘查開發院)

內蒙古某鉛鋅礦隨著開采深度加大，安全管理和成本問題越發突出，特別是在開采700 m標高以下的礦體，必須采用三級轉運提升方式，開采難度加大，考慮到礦山資源儲量較大，礦石開采價值高，服務時間長，對礦山進行整體規劃和技術改造十分必要[1-3]。為確保該礦山安全高效開采，本研究以位于150 m水平、二采區范圍內的礦房為例，通過采用MIDAS-FLAC3D耦合建模數值模擬分析方法，通過討論采場上下盤圍巖及礦柱的應力、位移及塑性區情況，進行采場穩定性分析，并對采場結構參數進行優化。

1 工程概況

內蒙古某鉛鋅礦為脈狀銀鉛鋅多金屬礦床，礦區共圈定了40條礦體(其中銀鉛鋅礦體38條，硫礦體2條)，礦體賦存于下二疊統地層與華力西晚期巖體的接觸帶和蝕變構造帶等堅硬類巖石下方，埋藏標高1 105～452 m 。礦體傾向不定，礦體厚一般為數米至數十米，礦體形態簡單，礦帶延長、延深均較大，均達數百米。深部礦體局部段圍巖受構造影響，有碎裂巖化和泥化現象，巷道掘進中遇有上述松散(軟)地層時需進行必要的支護工作。大部分地段圍巖穩定性中等—良好，礦體頂底板圍巖比較穩定。礦區總體上工程地質條件良好，工程勘查類型為Ⅲ類，勘探復雜程度為簡單型。

該礦采用分段空場嗣后充填采礦法(鏟運機出礦)生產，沿走向劃分為規則的礦房和礦柱，回采按“隔一采一”方式先采礦柱、后采礦房，一步驟回采礦柱采用嗣后全尾砂膠結充填，二步驟回采礦房采用尾砂或廢石低標號膠結充填。一、二步驟嗣后充填采場分別在頂部6～8 m高地段和底部約16 m高地段采用灰砂質量比為1∶4的膠結料充填空區；一步驟采場除頂底柱外的其余地段采用灰砂比為1∶8 的膠結料充填空區；二步驟采場除頂底柱外的其余地段采用灰砂比為1∶15的膠結料充填空區。

2 數值模擬模型構建

2.1 巖石力學參數

根據礦區巖石力學基礎資料，結合巖石質量指標評分，并與多個工程實例進行對比，利用RocDate軟件進行了巖體物理力學參數折減，結果見表1。

表1 礦巖體物理力學參數

2.2 實體及網格模型構建

在考慮礦房開挖的情況下，分析礦房上下盤的穩定性情況，研究范圍為1個盤區，包括3個礦柱和2個采場，長110 m、寬20 m、高90 m。根據圣維南原理，本研究構建的MIDAS-FLAC3D耦合模型為研究區范圍的3～5倍，模型長600 m、寬200 m、高360 m、距離地表90～180 m，設置模型的X、Y方向和底邊界均施加位移約束條件，上邊界為自由邊界[4-7]。礦體為急傾斜礦體，礦體平均厚度約20 m，設置采場及礦柱厚度為2 m，礦體厚度為20 m，圍巖厚度為40 m，以此來控制網格單元尺寸(圖1)。

2.3 模擬方案與開挖順序

本研究對該礦二采區采場進行穩定性分析，設計了礦柱寬度為10 m和15 m 2種方案，礦塊長度和高度分別為為50 m和90 m，方案參數取值見表2。

圖1 數值計算模型

表2 計算方案參數取值

回采礦房的礦柱布置形式如圖2所示，模擬開挖順序為：①分3個步驟回采礦柱，采用嗣后全尾砂膠結充填方法，即回采1#、4#、7#礦柱，回采8#、11#、14#礦柱，回采15#、18#、21#礦柱，礦柱回采完畢后采用全尾沙進行一次性膠結充填；②分4個步驟回采礦房，采用尾沙或廢石低標號膠結充填，采用分段空場嗣后充填采礦法生產的下中段回采進度超前于上中段，即回采2#礦體，3#、9#礦體，10#、16#礦體，17#礦體，礦房回采完畢后，使用灰砂質量比為1∶4的膠結料充填采場采空區底部，高度為10 m，采用灰砂比為1∶15的膠結充填料充填剩余采空區，高度為80 m。

圖2 礦房礦柱布置示意

3 采場上下盤穩定性分析

3.1 數值模擬結果

該礦采場穩定性取決于上下盤圍巖的穩定性。本研究模擬分析以采場巖體工程破壞依據為標準，通過研究礦房礦柱開挖的每個步驟中采空區上下盤拉壓應力、頂底板位移、塑性區情況，判別采場穩定性，進而優選采場結構參數。2種礦柱方案對應的礦柱一步開挖過程的拉壓應力、位移和塑性區情況如圖3、圖4所示。

分析圖3及相關數值模擬結果可知：礦柱一步回采過完后，下盤與頂板交接處出現了壓應力集中現象，達到最大壓應力16.22 MPa，最大拉應力出現在采空區上下盤和底板位置，達到0.21 MPa，呈現條帶狀分布，未出現應力集中現象，最大拉應力遠未達到礦巖抗拉強度，因而不會對采空區造成較大影響；頂板最大下沉量為9.05 mm，底板最大上鼓量為8.80 mm，根據采礦巖體工程破壞依據中的容許極限位移量判據，確定位移在許可范圍內，對采空區的穩定性不造成影響；采空區的塑性區主要集中于頂板，在下盤也有少部分塑性區，塑性區為剪切拉伸破壞所致，呈零星片狀分布，未貫通，與采場頂板出現少量冒頂與圍巖出現偏旁現象比較吻合，屬于采場開挖后的正常現象，在開挖過后加強頂板支護工作即可。隨著礦柱二步和三步開挖，壓應力依然集中于上盤圍巖頂板交界、下盤圍巖與底板交界處，最大壓應力達到15.10，14.31 MPa，拉應力在上下盤均達到最大值0.21，0.24 MPa，不影響采空區穩定性。頂板下沉量稍微減小，達到8.25，6.10 mm，底板上鼓量稍有增加，達到9.28，9.54 mm，塑性區零星分布于下盤圍巖和采場底部，開挖后應及時進行噴漿支護，避免圍巖進一步發生破壞，對采場整體穩定性影響不大。礦柱進行嗣后膠結充填后，圍巖中的拉壓應力明顯降低，最大值分別為11.79，0.08 MPa，頂底板位移已經得到控制，數值大小基本保持不變。在礦柱開挖的3個過程中，最大壓應力約15 MPa，拉應力約0.2 MPa，頂底板位移較小，塑性區零星分布，但較15 m礦柱有少量增加，對采場穩定性有一定影響，需及時支護，礦柱采空區上下盤穩定性良好。

圖3 方案一一步開挖X=300 m采場穩定性情況

圖4 方案二一步開挖X=300 m對應的采場穩定性情況

分析圖4及相關數值模擬結果可知：礦柱一步回采完畢后，壓應力集中于采空區角，達到21.87 MPa，圍巖平均壓應力約7.5 MPa，遠小于礦巖抗壓強度，拉應力集中分布于礦房頂板位置，達到0.39 MPa，小于圍巖抗拉強度，圍巖基本不會發生拉伸破壞；最大位移發生于礦房上盤和頂板位置，達到12.28 mm，礦房下盤和底板下沉量為11.82 mm，均小于22 mm，位移對巖體穩定基本不構成影響；塑性區呈現零星狀分布，在頂底板有少量集中現象，在開挖過后應進行頂板支護，可避免塑性區的影響。隨著礦柱進一步回采，拉壓應力基本保持不變，拉壓應力集中分布于采空區上下盤位置。需要注意的是：在圍巖較破碎時，可能會引起圍巖片幫現象出現，需要在爆破時注意保持圍巖的整體性，可采用光面爆破形式，減小爆破振動對圍巖的擾動。頂板下沉位移呈減小趨勢，底板上鼓量基本保持不變，位移對巖體穩定性不造成影響。在礦柱三步回采，即礦柱全面開挖后，頂板出現片狀塑性區，在進行及時支護后，采空區可以保持良好的穩定性。

3.2 礦柱長度優選

2種方案回采過程中的最大壓應力、最大拉應力、頂底板位移等參數和塑性區形狀統計結果見表3。

表3 2種方案回采過程中的最大應力、位移和塑性區參數

分析表3可知：

(1)2種方案對應的最大壓應力出現在15 m礦柱回采完畢后，達到21.91 MPa，未達到礦巖抗壓強度的2/3，其余壓應力均小于21.91 MPa，采空區穩定性良好。2種方案對應的最大拉應力出現在15 m礦柱一步回采后，達到0.39 MPa，尚未達到礦巖抗拉強度的1/2，采空區穩定性良好。頂板最大下沉量最大出現在15 m礦柱一步開挖時，達到12.28 mm，底板最大上鼓量出現在15 m礦柱三步開挖后，達到12.93 mm，根據容許極限位移判據，位移對采空區穩定性不造成影響。在10 m礦柱和15 m 礦柱一步開挖后，頂板均出現片狀塑性區，施工時需注意開挖完成后對頂板進行及時支護，防止塑性區范圍進一步擴大造成頂板塌落。

(2)15 m礦柱的拉壓應力、頂底板位移、塑性區體積基本大于10 m礦柱，表明10 m礦柱的各項指標更優。壓應力隨著采場開挖基本不變，拉應力有減小趨勢，頂板下沉量逐漸減小，底板上鼓量逐漸增加，塑性區增加較明顯，符合采場實際情況，但為確保圍巖穩定，需及時支護，方可保持采空區穩定。

(3)在礦柱礦房完成膠結充填后，圍巖拉壓應力、頂板位移量較充填前有較大幅度減小，表明充填后，圍巖的應力狀態有所改善，可以有效控制頂底板及上下盤位移。在開挖完成后，需及時對采場進行充填，以便保持采場穩定。

(4)在礦柱開挖時，10 m礦柱方案(方案一)的各項指標均優于15 m礦柱方案(方案二)，綜合分析采場開挖過程中礦巖拉壓應力、頂底板位移和塑性區情況，本研究推薦采用10 m礦柱方案。

4 結 語

以內蒙古某鉛鋅礦為例，設計了礦柱長度分別為10 m和15 m的2種采場結構參數方案(方案一、方案二)，并采用MIDAS-FLAC3D軟件進行了數值模擬分析。研究表明：方案一(10 m礦柱)和方案二(15 m 礦柱)在采場開挖過程中，采空區的拉壓應力、位移和塑性區情況良好，采取支護措施后，采場穩定性良好。2種方案均可作為備選方案，但考慮到礦柱采用膠結充填、成本較高的問題，在確保安全高效開采的前提下，推薦采用方案一，即礦柱沿走向長度10 m、采場沿走向長度40 m、采場寬度20 m、階段高度90 m為采場最佳結構參數。