哈圖金礦盤區機械化采場結構參數數值模擬研究

郭 旗，張 寶，顧生春，李志軍，吳亞飛

哈圖金礦盤區機械化采場結構參數數值模擬研究

郭 旗1，張 寶2，顧生春1，李志軍1，吳亞飛1

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司，新疆 克拉瑪依市 834025；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

合理采場結構參數的選取過程本質上是安全生產與高效生產的權衡統一過程。根據哈圖金礦盤區機械化上向水平分層充填法工藝特點及礦體賦存條件，編排對比方案，采用FLAC3D數值模擬分析，最后選取采場最大控頂高度為3 m，盤區內中間采場超前3分層回采，當礦體厚度為4 m時，推薦采場長度為50 m；當礦體厚度為8 m時，推薦采場長度為40 m。

盤區機械化;上向水平分層充填法;采場結構參數;數值模擬

0 引 言

哈圖金礦設計生產規模為1000 t/d，即年產礦石33 萬t。采用豎井開拓。現有3個采區：400 m采區已經結束開采，600 m采區正在采用上向水平分層充填法開采礦柱，千米井深部區域采用電耙出礦上向水平分層充填法開采。千米井礦區主要開采27-8，27-14，27-17礦脈，礦體屬急傾斜中厚中等穩固礦體，傾角為60°~70°。經采礦技改后，采用盤區機械化上向水平分層全尾砂膠結充填采礦法開采。

該方法采場可沿礦體走向布置也可垂直礦體走向布置，但哈圖金礦一般為中厚礦體，最為適宜的還是沿礦體走向布置采場，只有在礦體較為厚大或特殊情況下用垂直礦體走向布置采場。因此井下主要采用沿礦體走向布置采場，采場長度為40～60 m，采場寬度為4~6 m，采場高度為中段高度50 m。該采礦方法不留頂柱和底柱，也不留間柱。

采礦工藝改變后，選取合理的采場結構參數就非常關鍵。合理的采場結構參數不僅是保證安全開采的必要條件，同時也對開采綜合技術經濟指標有著重要影響。

目前用來確定采場結構參數的方法主要有經驗類比法和數值模擬法。前者因帶有一定的主觀性，缺少理論數據支撐，得出的結論令人難以信服；后者能通過定量的計算、分析、比較進行仿真模擬，同樣可以確定合理的開采方法、采場結構參數和開采順序，其中，FLAC3D數值模擬已經成為模擬分析地下開挖穩定性問題的有效方法。本文采用此方法進行哈圖金礦盤區機械化采場采礦決策科學化和設計優化的模擬。

1 數值模擬方案與破壞判據

1.1 數值模擬方案

根據盤區機械化上向水平分層全尾砂膠結充填法回采工藝特點，為盡可能模擬礦體“采?充”循環向上發展過程中的應力、應變疊加演變，每個采場最少進行4次“采?充”循環模擬計算。為了簡化模擬方案，模擬只對3個采場（作為一個回采盤區）超前回采順序和超前高度進行分析。

另外，設計采場拉底層高度為2 m，最大控頂高度為3 m時，分層高度為2 m，最大控頂高度為3.5 m和4 m時，分層高度為2.5 m。4次“采?充”循環有10~12 m垂直開采高度。自下向上最少劃分為5個分層。最下面兩個分層為拉底層和1分層，主要用于模擬采場拉底和分層充填，其余3，4，5分層模擬正常開挖及充填。

針對不同研究內容，數值模擬方案的編排和數值模擬步驟如表1所示。

1.2 本構模型及巖體力學參數

井下采場回采模擬分析涉及到圍巖體、礦體和尾砂膠結充填體，這些介質均屬彈塑性材料，適用于Mohr-Coulomb準則分析研究，故采用摩爾?庫侖準則來確定礦體開挖后，采場應力、位移及塑性區分布規律，獲得優化采場結構參數的巖體力學 依據。

RocLab是一款依據室內巖石力學實驗或原位三軸及直剪試驗數據來計算巖土體強度參數的軟件。本次模擬基于上述原理，借助軟件對各巖石力學參數進行綜合平均折減處理，從而得到本次數值模擬所需的礦巖體的物理力學參數。

表1 數值模擬方案與步驟

考慮到巖石力學試驗成果的離散型，首先對各單位的巖石物理力學參數進行綜合分析平均處理，然后采用巖體強度參數計算軟件對各單位的相應類型巖石力學參數進行折減處理。

基于礦山開采整體穩定性分析，依據礦山巖石力學試驗結果，綜合各成果并根據相應的公式計算得出對應的體積模量和剪切模量，將折減成果及計算結果匯總后即得到本次數值模擬與材料屬性相關的物理力學參數。數值模擬礦巖體具體物理力學參數匯總見表2。

表2 修正后的礦巖體物理力學參數

2 采場結構參數模擬結果

2.1 采場最大控頂高度

在數值模擬中發現，3個采場同步向上發展，應力隨著控頂高度的增加而增大，頂板中央及邊角處存在明顯的應力集中現象，在采場頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表3所示。

M1的最大主應力、最小主應力、豎向位移和剪切破壞塑性區體積小于M2和M3，因此，推薦選取最大控頂高度為3 m，開采分層高度為2 m，此時采場穩定性狀況整體比較好。

2.2 采場間超前回采高度

通過對M4、M5、M6“開挖?充填”循環的對比分析，發現沿走向布置的3個連續采場同步向上發展，最大應力數值大小隨著超前回采分層數的增加而降低，在采場開挖區域頂板中央及邊角處存在明顯的應力集中現象，在頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表4所示。

表3 M1、M2、M3的塑性區分布

表4 模型M4、M5、M6的塑性區分布

M5和M6的最大主應力、最小主應力、豎向位移小于M4的，且M5和M6的剪切破壞塑性區體積相差不大，而與模型4相比均要小得多。因此，推薦最優超前回采分層數為3個分層，這樣既能保證采場生產能力，且采場整體穩定性狀況也比較好。

2.3 4 m厚礦體采場長度

根據M7、M8、M9“開挖?充填”循環的數值分析，發現沿走向布置的3個連續采場同步向上發展，最大應力數值大小隨著采場長度的增加而增加，在采場開挖區域頂板中央及邊角處存在明顯的應力集中現象，在采場頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表5所示。

表5 模型M7、M8、M9的塑性區分布

從最大主應力、最小主應力及豎向位移來看，3個模型模擬結果相差不算太大，但從塑性區分布情況對比分析，可知M9塑性破壞區域體積大大超過了M7和M8的塑性破壞區域體積，結合井下生產能力要求，當礦體厚度為4 m時，推薦最優采場長度為50 m，這樣既能有效保證采場生產能力，也能保證采場整體穩定性。

2.4 8 m厚礦體采場長度

根據上節4 m厚礦體模擬分析結果（見圖1），可以發現，采場頂板及上下盤出現了貫通性的塑性破壞區，采場開采寬度應盡量控制在4 m以下。因此，當礦體水平厚度小于4 m時，采場寬度為礦體水平厚度；當礦體厚度大于4 m時，應分兩步驟進行開采，每個步驟進路寬度不大于4 m為宜。

圖1 M7塑性區垂直走向分布特征

通過對M10、M11、M12兩步驟“開挖-充填”循環下最大主應力、最小主應力、豎向位移和塑性區分布特征的分析，發現沿走向布置的3個連續采場同步向上發展，最大應力在采場開挖區域頂板中央及邊角處存在明顯的應力集中現象，在采場開挖區域的頂板及上盤中間位置豎向位移最大，塑性破壞形式主要為剪切破壞，破壞區域主要集中在采場頂板及其與下盤接觸位置，如表6所示。

表6 M10、M11、M12的塑性區分布

綜合礦山地質情況、開采現狀、生產能力要求及數值模擬分析結果，當礦體厚度為8 m時，推薦最優采場長度為40 m。

3 結 論

采場結構參數的選取過程本質上是安全生產與高效生產的權衡統一過程。

（1）采場最大控頂高度。考慮到井下工人在采場內作業，高空區支護非常不便，勢必給采場安全生產造成威脅，使采出礦效率降低。因此，采場最大控頂高度不宜太大，確定采場最大控頂高度 3 m為宜。

（2）中間采場超前回采層數。超前回采與不超前回采相比，采場穩定性有一定的提高。超前回采一定程度上起到了分隔相鄰連續回采采場的作用。另外，中間采場超前3個分層回采，采場相互獨立作業，生產互不影響，能有效提高生產效率。

（3）采場暴露面積。綜合安全生產及高效生產的各項要求，當礦體厚度為4 m時，推薦采場長度為50 m；當礦體厚度為8 m時，推薦采場長度為40 m。

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(2019-09-02)

郭 旗(1971—)，男，新疆福海人，采礦工程師，主要從事采礦技術和安全方面的管理工作，Email: 1125649- 219@qq.com。