分段空場嗣后充填采礦法集約化開采順序優化研究

任衛東 范玉乾

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410019）

采礦方法是礦山安全生產的核心，采礦方法的選擇直接決定了礦山生產運營過程中的效益及安全。現階段隨著國家政策的支持及礦山自我認識的提高，我國地下礦山采用充填法的比例逐漸提升。地下采礦對礦體的開挖過程其實就是地應力的釋放過程［1-2］，開挖巖體應力的釋放使巖體應力進行了重新調整和分配，而充填方法的使用又使應力重新發生了變化，不同的采礦、充填過程即形成了不同的開采順序，開采范圍內的礦巖介質也就有了不同的變化過程，對未開采區域以及已充填的區域，就有不同的加載和卸載路徑［3-4］，即存在不同的應力場和位移場的變化。本項目通過采用數值模擬軟件，依據摩爾—庫倫破壞準則，通過采用分段空場嗣后充填采礦法的前提下對擬定的不同開采順序進行數值模擬，分析不同開采順序采場的應力及位移的變化情況，從而能選擇適合礦山的開采順序，為礦山實現集約化、規模化開采提供依據，對礦山的安全、高效、經濟的回采有至關重要的意義，也為類似礦山的開采提供了借鑒。

1 工程概況

某礦床成因類型屬接觸交代高中溫熱液型礦床，礦體以銅鐵礦石（矽卡巖）為主，礦體內夾石主要為大理巖，次為矽卡巖。頂、底盤圍巖隨礦體賦存部位不同而不同。礦體與大理巖的接觸帶部位的巖體強度相對較低，但接觸影響寬度較小，而且結合比較緊密。礦體與花崗閃長斑巖的接觸帶條件較惡劣，巖體破碎，容易水解，穩定性最差。

礦山采用豎井開拓，有軌運輸。礦山現階段主要采用分段空場嗣后充填的采礦方法，其中：采場垂直礦體走向布置，長度為礦體水平厚度，中段厚度50 m，分段高度12.5 m。留頂柱和底柱，頂柱高5 m，底柱高8 m。在底柱內布置出礦進路，采用鏟運機平底出礦底部結構。

2 數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

本次數值模擬采用數值軟件進行建模和網格化劃分及后處理計算［5］。為方便建模和數值模擬計算，建模前做以下的假設［6］：①礦體和圍巖為各向同性的連續介質，不考慮裂隙、節理和斷層的影響；②忽略井巷工程對采場穩定性的影響；③只考慮重力對模型的影響，不考慮爆破振動、地震波及地下水的影響。

礦體主要為大理巖、灰巖等巖石組成，因此適用摩爾—庫倫破壞準則。

在分析時，首先進行礦床開采前的初始應力場［7-10］分析，最終開挖引起的位移和應力為各階段步驟（各分步）引起的位移ui（i=1，…，n）與應力σi（i=1，…，n）之和，即：

式中，{σ0｝為初始地應力。顯然位移結果中不包括原巖應力狀態下的位移值。

根據現場工程地質調查、室內巖石力學參數試驗結果，數值計算采用的材料參數見表1。

為研究不同中段回采順序對采場穩定性的影響，對-270 m、-320 m、-370 m、-420 m4個中段的回采順序進行數值模擬，共設計了2種回采方案：方案1（M-1）：從上向下回采和方案2（M-2）：從下向上回采。幾何模型見圖1所示。

方案1、方案2模擬步驟如表2所示。

2.2 模擬結果分析

在采場回采順序一致的條件下進行中段開采順序的比較，計算結果從最大主應力、垂直位移2個方面進行分析，以此對采空區的穩定性提供定量依據。

2.2.1 應力分布狀態的分析與比較

應力分布中，上盤巖體最大主應力和頂板主應力最為重要，因其對采場穩定性的影響最大。

由表3、表4和圖2～圖5可知，對于采場頂板而言，在-270 m中段回采時，兩方案采場頂板的主應力和集中應力差別不大；在-320 m、-370 m、-420 m中段回采時，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大主應力、中間主應力和最小主應力均較小，頂板最大主應力分別為4.60 MPa、5.17 MPa、5.96 MPa，均未超過礦體最大抗拉強度6 MPa，且拉應力區面積也小；而采用從下至上的中段回采順序（方案2）時，在-320 m、-370 m、-420 m中段回采時，采場頂柱最大主應力分別為5.49 MPa、6.19 MPa（超過礦體最大抗拉強度6 MPa）、8.02 MPa（超過礦體最大抗拉強度6 MPa），且方案1較方案2分別小19.4%、19.7%、34.6%。需要注意的是：在采場兩側的端角處出現最大應力集中，而且最大主應力都是拉應力，過大的拉應力是造成頂柱垮塌的重要原因，方案2應力集中現象比方案1明顯，且方案2在回采-370 m、-420 m中段時，頂板最大拉應力已超過礦體的最大抗拉強度，相比之下，方案1較優。對于采場上盤而言，在-270 m、-320 m、-370 m中段回采時，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大主應力、中間主應力和最小主應力相對較小，尤其是頂板最大主應力，其大小分別為0.184 MPa、0.188 MPa、0.192 MPa；而采用從下至上的中段回采順序（方案2）時，采場頂柱最大主應力分別為0.628 MPa、0.615 MPa、0.552 MPa，且方案1較方案2分別小241%、227%、188%。而在-420 m中段回采時，由于-420 m中段是方案2的首采中段，上盤最大主應力相對方案1小，而中間主應力和最小主應力仍然比方案1大，總的來說，方案1較優。

注:表中壓應力為“-”，拉應力為“+”；垂直位移為“-”，表示沿Y軸負方向，反之為“+”。

2.2.2 位移分布狀態的比較

由表3、表4和圖6～圖9可知，對于采場頂板而言，在-270 m、-320 m、-370 m、-420 m4個中段回采時，采用從上至下的中段回采順序（方案1），頂板最大垂直位移均較小，分別為-44.81 mm、-36.26 mm、-28.76 mm、-21.75 mm，而采用從下至上的中段回采順序（方案2）時頂板最大垂直位移分別為-48.81 mm、-41.18 mm、-34.47 mm、-26.98 mm，方案1較方案2分別小8.9%、13.6%、19.9%、24%；對于采場上盤而言，同樣，方案1的上盤最大垂直位移也均比方案2小。很明顯，由頂板和上盤的最大垂直位移的比較，方案1優于方案2。

3 結論

本項目結合某礦山所采用的分段空場嗣后充填法所采用的采場結構參數，擬定了2種回采順序，通過數值模擬方法，對2個方案模型的應力、位移等分析可知，采取從上向下的中段回采順序，各中段均處于較低的應力狀態，對安全高效開采非常有利；相反，若采取從下向上的中段回采順序，在開采初期，采場受力狀態較差，由于處于高應力狀態，頂板較易產生冒落，甚至于發生巖崩，從而危及采場回采安全。故宜采取從上向下的中段回采順序。由于不同礦山礦巖類型和采用的采礦方法不一樣，因此本項目得出的結果也并不一定適合其他礦山，但通過建立礦體幾何模型，通過數值模擬手段比較直觀地模擬回采過程及采場應力及位移的變化，可為類似礦山提供借鑒。