高峰礦深部厚大礦體回采順序設計與優化

韋軍(河池五吉有限責任公司，廣西 河池 547000)

0 引言

深部高應力環境下合理的礦體回采順序可以有效改善圍巖應力分布，避免巖體發生應力集中或變形導致的采場頂板失穩垮塌等工程災害，從而能保證礦山安全高效生產。針對采場回采順序優化問題，國內外學者從理論分析[1]、數值模擬[2-4]及數值模擬與智能算法相結合[5-7]三方面開展了大量研究工作，取得了較好的研究成果，為礦體回采順序優化奠定了基礎。

廣西高峰礦經過多年開采深度已達1000m，目前主要開采105 號礦體采用的采礦方法為機械化上向水平分層充填法，階段高度48m，分段高度12m，分層高度4m[8]。主要開采的兩個中段位于-103～-200m 水平之間， 主要開拓中段位于-200～-250m水平之間。為滿足礦山產量要求，-103～-200m 兩個中段內礦體回采順序被打亂，-103m、-108m、-128m、-132m、-127m、-161m水平的礦體基本都在充填體下采礦。由于充填體強度相對較低，回采過程中受爆破影響充填體容易失穩垮塌，增加了回采作業的安全風險，嚴重威脅到工人的安全；除此之外，垮塌的充填體混入礦石將造成貧化，嚴重影響出礦品位，增加了礦山的采選成本。為了避免類似問題在現主要開拓中段出現，有必要對高峰礦-200～-250m 水平之間的礦體開展回采順序優化，可為礦山安全高效回采提供科學指導。

1 模型構建與方案設計

1.1 模型建立

為了保證數值計算結果的準確性，根據高峰礦深部-200～-250m水平之間厚大礦體的賦存條件和圣維南原理，可得數值計算模型的尺寸為長(1160m)×寬(1130m)×高(524m)，數值計算網格模型如圖1 所示。為了有效施加邊界條件，模型標高需與礦體賦存標高相一致，根據模型標高和礦體賦存標高可推算出模型底部標高-224 與礦山實際標高-474m 水平相等。

圖1 數值計算網格模型

1.2 回采順序設計

高峰礦深部厚大礦體采用機械化上向水平分層充填法回采，采場垂直礦體走向布置，采場長度為礦體厚度，采場劃分示意圖如圖2 所示。根據高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和采礦方法，本次模擬設計了3 種回采順序。順序一從一端向另外一端連續推進，即開采1#采場→充填1#采場→開采2#采場→充填2#采場→開采3#采場→充填3#采場→開采4#采場→充填4#采場→開采5#采場→充填5#采場；順序二從中間向兩端間隔回采，即開采2#和4#采場→充填2#和4#采場→開采1#、3#和5#采場→充填開采1#、3#和5#采場；順序三從中間向兩端連續推進，即開采3#采場→充填3#采場→開采2#和4#采場→充填2#和4#采場→開采1#和5#采場→充填開采1#和5#采場。通過對以上三種回采順序進行數值模擬仿真，比較分析各回采順序采充循環過程中采場頂板最大拉應力變化情況得出適合高峰礦深部厚大礦體的最優回采順序，確保礦山安全、高效回采。

1.3 計算參數確定

為了準確獲取數值計算所需的參數，對已充填至井下的充填體和-250～-200m 水平之間的礦巖取芯和現場工程地質調查，結合室內巖石力學試驗結果和巖石強度折減系數法獲得了數值計算所需的參數，結果見表1。

數值模擬結果的準確性除了需要提供巖體力學參數，還需準確生成初始地應力場。根據長沙礦山研究院對高峰礦深部地應力的測試結果，回歸分析得到了高峰礦地應力與深度之間的關系[9]：

式中：H為豎直方向深度(m)；σx為東西方向主應力(MPa)；σy為南北方向主應力(MPa)；σz為垂直應力(MPa)。

初始應力場生成過程中水平應力的施加根據模型中模型底部標高-224 與礦體實際標高-250m 水平等同及礦山地表標高，求出模型底部標高-224 處的σx和σy后，結合σx和σy隨高程的變化梯度施加到模型前后邊界和左右邊界；垂直應力的施加根據模型頂部標高+280 與礦體實際標高+30m 水平等同及礦山地表標高，求出模型頂部的σz施加到模型上表面，并考慮模型自重應力。

2 數值計算結果分析

圖3 為不同回采順序采場頂板最大拉應力隨回采步數的變化曲線。由圖3(A)可知，順序一回采1#采場時采場頂板最大拉應力基本保持穩定，回采2#、3#、4#和5#采場時采場頂板拉應力先升高后降低；整個回采過程中，回采1#、2#、3#和4#采場時采場頂板最大拉應力均在安全界線以下，頂板垮落可能性較小，但回采5# 采場時采場頂板最大拉應力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大。由圖3(B)可知，順序二同時回采2#和4#。

圖2 采場劃分示意圖

表1 數值計算參數

圖3 采場頂板最大拉應力隨回采步數的變化曲線

采場時采場頂板最大拉應力先保持穩定后升高，同時回采1#、3#和5#采場時采場頂板最大拉應力先保持穩定后降低；整個回采過程中，同時回采2#和4#采場、1#、3#和5#采場時采場頂板最大拉應力均在安全界線以下，頂板垮落可能性較小。由圖3(C)可知，順序三回采3#采場時采場頂板最大拉應力先保持穩定后升高，同時回采2#和4#采場和1#和5#采場時采場頂板最大拉應力均保持降低；整個回采過程中，回采3#采場和同時回采2# 和4#采場時采場頂板最大拉應力在安全界線以下，頂板垮落可能性較小，但同時回采1#和5#采場時采場頂板最大拉應力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大。

綜上分析可知，順序一和順序三在整個回采過程中采場頂板最大拉應力超過了安全界線，頂板垮落可能性較大，順序二在整個回采過程中采場頂板最大拉應力均低于安全界線，頂板垮落可能性較小。機械化上向水平分層充填法整個回采作業環節都在頂板之下，所以順序一和順序三回采作業安全風險較高，順序二回采作業安全風險較低。因此，對于高峰礦深部厚大礦體的整體回采順序建議采用順序二，即先回采 2# 和 4#采場，充填 2#和 4#采場，再開采 1#、3#和 5#采場，再充填 1#、3#和 5#采場。

3 結語

(1)根據高峰礦深部厚大礦體的賦存條件和工程實際情況，設計了三種回采順序，順序一為一端向另一端連續推進；順序二為中間向兩端間隔回采；順序三為中間向兩端連續推進。

(2)通過對三種回采順序進行Flac3d 數值仿真分析，發現順序一和順序三在整個回采過程中采場頂板最大拉應力超過了安全界線，順序二在整個回采過程中采場頂板最大拉應力均低于安全界線。建議采用順序二對高峰礦深部厚大礦體進行回采，即先回采2#和4#采場，充填2#和4#采場，再開采1#、3#和5#采場，再充填1#、3#和5#采場。