某緩傾斜鐵礦采場結構參數與開采順序優化研究①

鄒 平， 賀 超， 李愛兵， 孟中華， 王飛飛

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙410012； 3.萬寶礦產有限公司，北京100053）

目前，我國開采緩傾斜中厚和厚大礦體主要采用房柱法（約占50%）、底盤漏斗采礦法（約占35%），少部分采用膠結和尾砂充填采礦法以及淺孔留礦法［1-2］。 合理的采場結構參數和開采順序對采場的穩定性和礦石回收率起著至關重要的作用。 對于采場結構參數和開采順序，已有學者開展了相關研究［3-9］。某鐵礦位于廣東省境內，為緩傾斜厚大礦體，以貧礦為主，經過近年不規范開采，留下了不規則的礦柱和大小不等的采空區，部分采場地壓活動明顯，影響到了礦山的正常生產。 因此，急需對其采場結構參數和開采順序進行優化研究，防止大面積地壓活動出現，保證礦山安全生產。

1 礦山概況

1.1 礦體特征

礦體走向大致呈東西向，向南東傾伏，傾角較緩10°～20°，與地層產狀基本一致。 按南、中、北依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體，且三個礦體是連續分布的。

Ⅰ號礦體：平面形態呈燒餅狀，剖面上呈似層狀、透鏡狀，東西長800 ～1 000 m，南北寬500 ～970 m，礦體厚度一般8～20 m，最厚55.95 m，平均18.06 m。 礦體賦存標高100～450 m，埋藏深度125 ～330 m。 地表無出露，屬全隱蔽型礦體。 以貧礦為主，富礦較少且厚度較小（3～10 m）。

Ⅱ號礦體：呈北西～南東，長750 m，寬300 m，礦體較薄，厚度一般在3～8 m 之間，局部超過10 m（13.9 m），平均厚度6.28 m。 下部為I 號礦體，離I 號礦體頂板一般10～20 m，最大49 m。

Ⅲ號礦體：平面形態呈狹長方形，東西水平長1 300 m，南北寬200～300 m。 礦體厚度較大的20～30 m，其余則在2.06～8.47 m 之間，平均厚度6.10 m。

為滿足對礦產資源的需求，將Ⅰ、Ⅱ號礦體進行合并，礦體最大厚度為87 m。

1.2 工程地質條件

礦體頂板主要為矽卡巖，厚度為2 ～20 m，巖石結構致密，性質堅硬。 往上為角巖或變質粉砂巖，巖石的硬度較大。 在礦區西南部某些地層接觸界面附近，節理和裂隙發育，形成層間破碎帶，厚度一般為10～20 m，最大40 m。

礦體底板主要為角巖或石英巖，少量的矽卡巖，巖石結構致密，性質堅硬。

1.3 采礦方法

采用淺孔留礦法開采：采場高度18 ～22 m，寬度12～16 m；沿近東西方向留寬為6 m 的連續礦柱，每隔8 m 開6 m × 5 m 的出礦短穿，形成8 m × 6 m 的條形點柱。

2 采場結構參數初步優化

2.1 布置方式

經研究確定，礦房、礦柱的布置形式擬采用“棋盤”格式，即首先在整個礦區沿礦體走向和傾向布置幾條較大規格的盤區礦柱，然后在盤區內沿走向方向布置小礦柱。

具體的盤區、礦房和礦柱布置方式為（如圖1 所示）：

1） 在南、中部礦體分界處留設一條沿傾向布置的盤區礦柱（NB3），以此盤區礦柱為中心，沿傾向向南、中部共布置5 條南、中部礦體的盤區礦柱（NB1～NB5）。

圖1 盤區礦柱布置及盤區編號簡圖

2.2 采場結構參數計算

2.2.1 計算方法

采用Bieniawski 推薦的礦柱強度設計公式計算該鐵礦盤區礦柱與盤區內小礦柱安全系數［10-12］，從而確定最優的礦房跨度和礦柱寬度：

式中σc為礦柱單軸抗壓強度，按南、中部的礦石單軸抗壓強度選取，分別為57.43 MPa、60 MPa；WP為礦柱寬度； WO為礦房寬度；h 為礦柱高度，即為礦體厚度，從留設礦柱所穿過的勘探剖面上量取；γ 為上覆巖層平均容重，統一取3.0 t／m3；H 為開采深度，從留設礦柱所穿過的勘探剖面上量取。

2） 在目前開采的東部邊界處留設一條沿走向的盤區礦柱（XD2），以此盤區礦柱為中心，向西、東共布置3 條盤區礦柱（XD1～XD3）。

3） 中、北部礦體之間未連接部分全部留設為盤區礦柱。

4） 共劃分21 個盤區，其中1 ～9 盤區屬于南部礦體，10～15 盤區屬于中部礦體，16 ～21 盤區屬于北部礦體。

5） 在盤區內沿走向布置礦房和小礦柱，分允許放頂與不允許放頂兩種情況進行盤區內礦房和小礦柱尺寸的比較和確定。

2.2.2 盤區礦柱安全系數計算

沿傾向的盤區礦柱擬定了4 種方案：

方案A：礦房跨度100 m，礦柱寬度30 m；

方案B：礦房跨度100 m，礦柱寬度35 m；

方案C：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度35 m，中部礦柱寬度30 m；

方案D：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中部礦柱寬度35 m。

沿走向的盤區礦柱擬定1 種方案：礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m。

經計算可知：方案A 中盤區礦柱NB3 ～NB5 不滿足安全系數要求；方案C 中盤區礦柱NB1 ～NB4 均不滿足安全系數要求；方案B 與方案D 都能滿足安全系數的要求，但方案B 中所留的礦柱多于方案D，從減小礦產資源損失、有利于最大可能回收資源的角度出發，推薦方案D。

2.2.3 盤區內小礦柱安全系數計算

根據上述確定的盤區礦柱尺寸，將整個南、中部礦體劃分為15 個盤區（如圖1 所示）。 計算時盤區內按統一埋深和礦柱高度計算，根據經過盤區的剖面中量取，由礦柱穩定性因素正交極差分析知，礦體埋深對安全系數的影響最大，取礦體埋深最大的剖面進行計算。經計算可知：

1） 對于南部礦體盤區，礦房跨度在12 ～14 m 之間時，留取7～9 m 的礦柱即可維持采場的安全。

2） 對于中部礦體盤區，礦房跨度在12 ～14 m 之間時，留取5～7 m 的礦柱即可維持采場的安全。

3.5.4環境控制溫度：出雛后2天33～35攝氏度，以后每周下降3攝氏度，到21攝氏度保持不變。濕度：1～2周保持60%～70%，以后保持在55%～60%。通風：根據當地氣候注意加強通風，但要保證環境溫度與濕度正常。光照：采用長時間光照制度，1～3天23小時光照、光照強度20勒克斯，以后每天18～20小時光照、光照強度5勒克斯。

3） 南部礦體地表不允許放頂，必須保證空場頂板不冒落，推薦的采場結構參數為：礦房跨度12 m，礦柱寬度8 m。

4） 中部礦體不允許放頂時，推薦的采場結構參數為：礦房跨度14 m，礦柱寬度8 m；允許放頂時，推薦的采場結構參數為：礦房跨度14 m，礦柱寬度6 m。

5） 在礦體變厚大處，礦柱的尺寸在原有推薦的采場結構參數基礎之上，可適當增加2～4 m。

3 三維數值模擬

3.1 三維數值模型

采用MIDAS／GTS 數值分析軟件對該鐵礦的開采現狀和下部采礦過程進行模擬分析，其中下步開采根據上節采場結構參數優化推薦的參數進行建模（分析模型如圖2 所示）：①沿傾向的盤區礦柱：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中、北部礦柱寬度35 m；②沿走向的盤區礦柱：礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m；③盤區內沿走向布置采場，南部礦房12 m，中、北部礦房14 m，礦柱均為8 m。 其中Ⅲ號礦體在模擬過程中僅模擬4 個盤區的開采。

圖2 礦體數值分析網格化模型

模型范圍：x ＝-1 800～1 500 m（共3 300 m，為礦區的WE 方向）；y ＝-2 600～2 800 m（共5 400 m，為礦區的SN 方向）；z＝-300 m 至地表。

3.2 巖體力學參數

根據該鐵礦的工程地質特征，計算中考慮了8 種力學介質，即泥巖、砂巖、矽卡巖、花崗巖、礦體南、礦體中、礦體北和第四系。 在現場工程地質調查、室內巖石力學試驗和巖體質量評價的基礎之上綜合選取了巖體物理力學參數，如表1 所示。

表1 巖體物理力學參數

3.3 最優回采順序的模擬模型

該鐵礦目前僅開采I 號礦體的西北角，總體規劃為從西向東推進。 本次模擬分析礦山開采穩定性現狀，并在確定的下步開采采場結構參數基礎上，確定下步開采最優回采順序。 針對Ⅰ和Ⅱ號礦體，建立M1、M2、M3 三個模型分別模擬分析從南往北、從北往南和從中間（從南、中隔離礦柱開始）到兩邊的開采順序，各模型的具體模擬步驟如表2 所示。

表2 模型模擬計算步驟及簡要說明

4 模擬結果分析

4.1 空區現狀穩定性計算結果分析

第2 模擬步驟模擬現有空區的開挖，形成了面積較大的采空區，空區周圍礦巖體產生了應力重分布。在采空區的頂板普遍產生了拉應力（如圖3 所示，圖中正值為拉應力，負值為壓應力），拉應力值一般在0.4～1.7 MPa 之間，最大拉應力值為3.469 MPa，已經超過中部礦體的抗拉強度（2.2 MPa），導致巖體破壞。留存礦柱中普遍產生了壓應力集中，尤其出礦口周邊集中程度較大，應力集中程度達2 ～3 倍。 采空區的頂板下沉，最大為1.018 cm，礦柱底部向上隆起，最大達1.173 cm。

圖3 第2 步驟375 m 水平最大主應力等值線圖

圖4 第2 步驟375 m 水平塑性應變云圖

4.2 下步開采計算結果分析

第3 步驟開始模擬下步開采情況，M1 ～M3 模型分別模擬了不同的開采順序，目的是通過比較分析，找出最優開采順序。

4.2.1 應力分析

各模型模擬最大與最小主應力的最大值及其發生位置如表3 所示。 從各盤區里選取最小主應力值最小的模型相互比較，所占的盤區數量最多的模型，則該模型開采順序最優，比較結果如表4 所示。 從表4 可知，從頂板的拉應力值來看，最優開采順序的模型為M1＞M3＞M2；從礦柱的拉應力值來看，最優開采順序的模型為M2＞M3＞M1。

表3 模擬結果最大值及其發生位置

表4 最小主應力、最大沉降量的最小值所占盤區數量

在采場周邊礦柱的一些角點產生了壓應力集中，其最大拉應力出現在M2 模型的2 盤區內礦柱的頂端處（如圖5 所示），其值為-20.3688 MPa，超過了南部礦體的抗壓強度（16.52 MPa），出現壓應力破壞區。

圖5 M2 模型2 盤區最大與最小主應力等值線圖

4.2.2 位移分析

各模型模擬位移值最大值及其發生位置如表3 所示。 采場開采后，各模型大體的位移變化趨勢為頂板向下沉降，底板向上少量的底鼓；一般最大位移發生在礦柱頂端接近采空區頂板處；盤區大礦柱的存在，從沉降位移等值線分布來看，在其上產生的沉降位移等值線為近水平方向，說明盤區大礦柱的存在對控制頂板沉降起到了較為關鍵的作用。

頂板最大下沉位移發生在M1 模型的5 盤區處，其值為-19.17 mm；礦柱最大下沉位移發生在M1 模型的5 盤區處，其值為-18.54 mm，如圖6 所示。

圖6 M1 模型第8 模擬步驟沉降位移等值線圖

各模型各盤區的位移值相差也不大，尤其是Ⅲ號礦體的16～19 盤區的位移值也都一樣，這也說明在盤區大礦柱的隔離作用下，各盤區之間的相互影響較小。盤區礦柱起到了很好的保護作用，盤區礦柱尺寸留取得也較為合理。

礦柱位移較大的盤區為2、4、5、6、8、9、10、13盤區。

從各盤區里沉降量值最小的模型相互比較，所占的盤區數量最多的模型，則該模型的開采順序最優，如表4 所示。 從表4 可知，從頂板的沉降量值來看，最優開采順序的模型為M2＞M3＞M1；從礦柱的沉降量值來看，最優開采順序的模型為M2＞M1 ＝M3。

4.2.3 塑性區分析

模型的塑性區主要發生在盤區內的小礦柱處（如圖7 所示），且多發生于礦體邊界處。 共有5 個盤區產生了塑性區，即2、4、5、6、13 盤區。 其中以2 盤區的塑性區范圍最大（如圖8 所示）；2、4 盤區的塑性區發生于礦柱中心，擴展到頂、底部位；5 盤區的塑性區發生于礦柱中心頂部；6 盤區的塑性區發生于礦柱頂部與圍巖交界處；13 盤區的塑性區發生于礦柱底部與圍巖交界處。 由此可見，礦體南部的穩定性較差，可將礦體南部與13 盤區的礦柱尺寸進行調整。

圖7 M1 模型整體礦柱塑性應變云圖

圖8 M1 模型2 盤區礦柱塑性應變云圖

盤區之間的大礦柱未產生塑形區，說明留取的盤區礦柱尺寸較為合理。

除產生塑性區的幾個盤區外，其余礦柱應變較大的盤區為8、9、10 盤區。

5 結 論

1） 針對該鐵礦緩傾斜厚大礦體，設計了“棋盤”方式的礦房、礦柱布置形式，即首先在整個礦區沿礦體走向和傾向分別布置幾條較大規格的盤區礦柱，然后在盤區內沿走向方向布置礦房和小礦柱，這樣有利于地壓控制、通風、礦柱回收和保護地面的建（構）筑物等。

2） 各盤區之間在盤區大礦柱的隔離作用下，相互之間的影響較小，可以有效避免“多米諾”方式的大面積地壓災害的發生。

3） 由應力、位移、塑性區以及各種其它因素可知，M2 模型模擬的開采順序最優，即由北向南開采為最優的開采順序，其次為從中間到兩邊開采。

4） 根據礦柱強度設計公式和三維數值模擬分析綜合確定的采場結構參數為：沿傾向的盤區礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中、北部礦柱寬度35 m；沿走向的盤區礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m；盤區內沿走向布置采場，南部礦房12 m，礦柱9 m，中、北部礦房14 m，礦柱8 m；如果允許放頂時，中部可以調整為礦房跨度14 m，礦柱寬度6 m；在礦體厚大處，礦柱尺寸在原有推薦參數的基礎之上可適當增加1～2 m。