急傾斜中厚破碎礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用

劉龍瓊 周樂 溫聳

摘要：鑒于采用上向水平分層充填采礦法開采急傾斜中厚破碎礦體時存在回采效率低、采礦成本高等問題，結(jié)合石湖金礦礦體開采技術(shù)條件，開展了下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法試驗研究，并運用數(shù)值模擬軟件對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。工程應(yīng)用結(jié)果表明：按照“一步回采礦柱，二步回采礦房”思路，在分段高10 m的前提下，礦柱與礦房寬度分別為15 m 和35 m時，采場最為穩(wěn)定。采用該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行回采，采場生產(chǎn)能力達(dá)到202 t/d，礦石貧化率為5.36 %，采礦損失率為3.52 %，效果較好，可為類似金屬礦山開采提供參考經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：急傾斜中厚;破碎礦體;下向鑿巖;平行中深孔;分段;充填采礦法;采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）10-0040-06doi：10.11792/hj20201008

引 言

急傾斜中厚破碎礦體是指傾角大于55°，厚度4～10 m，單軸抗壓強度不高，節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體。縱觀國內(nèi)外急傾斜破碎中厚至厚大礦體的開采現(xiàn)狀，有以下特點：①當(dāng)?shù)V石品位不高時，多采用崩落采礦法開采。一般采用中深孔落礦，一次崩礦量較大，但造成的礦石損失貧化較高，而且由于回采巷道獨頭作業(yè)，采場通風(fēng)比較困難[1]。②當(dāng)?shù)V石品位較好時，一般采用充填采礦法開采。該方法在礦石損失貧化控制和作業(yè)安全方面優(yōu)勢顯著，尤其是當(dāng)?shù)V巖不穩(wěn)固、存在大型破碎帶、地壓較大時，適應(yīng)性強，可根據(jù)礦巖的穩(wěn)固性、礦體形態(tài)等選擇不同的充填采礦工藝進(jìn)行回采。但相對于崩落采礦法，充填采礦法具有明顯的缺點，生產(chǎn)能力相對較小、成本偏高。因此，如何安全高效開采此類礦體，是國內(nèi)外采礦界面臨的技術(shù)難題。

中國黃金集團(tuán)石湖礦業(yè)有限公司（下稱“石湖金礦”）主要采用上向水平分層充填采礦法開采急傾斜中厚破碎礦體，但在開采過程中存在工藝較復(fù)雜、成本較高、采場出礦能力較低、機械化程度不高等問題。經(jīng)多方調(diào)研，石湖金礦與長春黃金研究院有限公司合作，進(jìn)行技術(shù)方案論證，開展下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法試驗研究，該技術(shù)方案實質(zhì)是將中深孔落礦和分段充填相結(jié)合，減少工人在暴露頂板下作業(yè)時間的同時提高回采效率。在方案基礎(chǔ)上用數(shù)值模擬軟件對其進(jìn)行采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步保障了采場安全[2]。此次研究為類似條件的金屬礦山提供了很好的借鑒。

1 礦體開采技術(shù)條件

石湖金礦101-4-7號礦體賦存于構(gòu)造蝕變破碎帶中，礦巖界線不明顯。其中，礦體走向長約600 m，厚度8～10 m，走向約180°、傾角65°～73°，主要由含金黃鐵礦化硅化巖、多金屬硫化物硅化蝕變巖、含金黃鐵絹英巖等組成。礦體巖性為硅化巖，硬度高，靠近上盤的礦體夾雜部分綠泥石，該部分礦體不穩(wěn)固，極易塌方。上盤圍巖為石英閃長玢巖，硬度較高，較穩(wěn)固。下盤圍巖為片麻巖，硬度高，較穩(wěn)固。礦體密度2.85 t/m3，抗壓強度58.44 MPa;上盤圍巖密度2.65 t/m3，抗壓強度40.29 MPa;下盤圍巖密度2.65 t/m3，抗壓強度46.27 MPa;礦巖松散系數(shù)1.54。礦石無結(jié)塊現(xiàn)象，礦巖無自燃現(xiàn)象。

2 下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法

考慮到石湖金礦急傾斜中厚破碎礦體，特別是礦體上盤夾雜綠泥石，極易發(fā)生塌方，為此需盡可能減少采場上盤暴露時間和暴露面積，最終達(dá)到“提高生產(chǎn)能力，保證采場內(nèi)人員及設(shè)備安全”這一目的。經(jīng)多方調(diào)研，提出了采用下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法開采（見圖1）：礦塊沿礦體走向布置，寬為礦體水平厚度，高度為中段高度50 m，在垂直方向上，每個中段劃分為5個分段，分段高度10 m。礦塊分兩步進(jìn)行回采，其中一步采長度10～15 m，二步采長度35～40 m，一步采采完后用灰砂比1∶4的充填料漿充填采空區(qū)，二步采采完后用水砂充填采空區(qū)。一步采必須超前二步采至少2個回采單元。

該方案采切工程簡單，回采時，將上一分段底部進(jìn)行切頂，并進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)完成后，開始鉆鑿下向平行中深孔，保證工人在安全頂板下作業(yè)。中深孔爆破后，采用遙控鏟運機在該分段底部進(jìn)行出礦。該方案優(yōu)點在于工人在頂板下作業(yè)時間較短，采用中深孔爆破，生產(chǎn)能力較上向水平分層充填采礦法明顯增加，且炸藥單耗減少，膠結(jié)充填比例減少，生產(chǎn)成本大幅降低。缺點在于礦石貧化率相對于淺孔爆破要高。

3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在確保采場作業(yè)安全的同時，為盡可能提高采場綜合生產(chǎn)能力，降低采礦及充填成本，采用數(shù)值模擬軟件對一步采及二步采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

鑒于Flac3D數(shù)值模擬軟件適用于巖土工程中幾何和物理高度非線性問題的穩(wěn)定性分析，同時具有強大的后處理功能，所以最終選用Flac3D數(shù)值模擬軟件作為采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的工具[3-4]。本構(gòu)模型則選擇目前巖體材料中最通用的莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則。

3.1 模型的建立

本次分析以130 m～180 m中段為模擬對象，地表標(biāo)高為640 m，上覆巖體自重應(yīng)力通過對模型施加法向均布載荷來實現(xiàn)，左右邊界為水平固定邊界，底端加約束限制位移。最終的建模參數(shù)為：長200 m，寬104 m，高170 m，礦體厚度8 m。為了使模擬結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，對要開挖區(qū)域等主要數(shù)值計算區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了密集劃分，模型共16 320個單元體，17 958個節(jié)點[5-6]。最終數(shù)值模型見圖2。

3.2 力學(xué)參數(shù)

模型巖石力學(xué)參數(shù)的選擇至關(guān)重要，參數(shù)選取是否合理將對數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生直接影響。由于巖石力學(xué)基礎(chǔ)試驗獲得的力學(xué)參數(shù)沒有考慮到節(jié)理、裂隙等現(xiàn)場地質(zhì)因素，因此需對試驗獲取的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行必要的強度折減。Hoek-Brown強度準(zhǔn)則是在考慮巖體結(jié)構(gòu)、巖塊強度、應(yīng)力狀態(tài)等多方面影響的基礎(chǔ)上，引入巖體擾動系數(shù)D對巖體的Hoek-Brown常數(shù)mb、s、a進(jìn)行修正[7]，其準(zhǔn)則如下：

σ1=σ3+σcmbσ3σc+sa

mb=mieGSI-10028-14D

s=eGSI-1009-3D

a=0.5+1[]6e-GSI15-e-203（1）

式中：σ1為巖體破壞時的最大主應(yīng)力（MPa）;σ3為巖體破壞時的最小主應(yīng)力（MPa）;σc為巖體單軸抗壓強度（MPa）;mb為巖體材料常數(shù);mi為完整巖石材料常數(shù)，硅化巖取20，片麻巖取28;s、a為巖體特征常數(shù);GSI為地質(zhì)強度指標(biāo)，其值約為RMR-5;D為巖體擾動系數(shù)，取0.3。

假定脆性巖石的單軸抗拉強度（σtm）和雙軸抗拉強度近似相等，即可令式（1）中σ1=σ3=σtm，則可估算出巖體的單軸抗拉強度：

σtm=-sσcmb（2）

對于巖體彈性模量Em，可以使用式（3）進(jìn)行估算：

Em=（1-0.5D）10GSI-1040（3）

內(nèi)摩擦角（φ）和內(nèi)聚力（C）可用下式進(jìn)行計算：

τ=（σ1-σ3）cos θsin θ（4）

σ=σ1cos θ+σ3sin θ（5）

τ=C+σtan φ（6）

式中：τ為巖體抗剪強度（MPa）;θ為剪切面與水平面的夾角（°）。

計算中需要注意的是，F(xiàn)lac3D數(shù)值模擬軟件在彈性范圍內(nèi)使用體積模量（K）和切變模量（G）來代替彈性模量進(jìn)行描述。它們之間的關(guān)系如下：

K=Em3（1-2ν）（7）

G=Em2（1-2ν）（8）

式中：ν為泊松比。

因此，經(jīng)過折減的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3 模型開挖計算方案

3.3.1 開挖方案的建立

按照“一步回采礦柱，二步回采礦房”思路，先采礦柱，采空區(qū)用灰砂比1∶4的料漿進(jìn)行充填，待一步采空區(qū)開采充填結(jié)束后，再回采礦房，最后水砂充填處理采空區(qū)。為獲得最優(yōu)的回采效果，共提出4種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表2）進(jìn)行分析和對比。

3.3.2 開挖過程模擬

為了簡化分析過程，先選取方案2的開挖過程進(jìn)行分析，以了解開挖過程中應(yīng)力場分布規(guī)律，模擬回采過程見圖3。隨著礦柱開挖的進(jìn)行，采場兩幫起主要支撐作用，因此成為主要的應(yīng)力集中區(qū)，與此同時采場頂板區(qū)域也出現(xiàn)拉應(yīng)力，但沒有超過巖體的抗拉強度極限，說明采場此時可以保證作業(yè)安全。將采空區(qū)充填后，充填體開始起部分支撐作用，有效地緩解了周邊圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象。礦房充填結(jié)束后可以看到，開采對圍巖內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生了擾動，使得圍巖內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行了重新分布。

3.3.3 開挖方案對比

對所選的4個方案進(jìn)行了分析模擬，通過分析豎向應(yīng)力場、沉降位移變化等參數(shù)來對各個方案進(jìn)行橫向比較分析，選取采場最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1）應(yīng)力分析。各方案回采結(jié)束后豎向應(yīng)力對比云圖見圖4。

根據(jù)圖4中分析對比各個方案豎向應(yīng)力可知：開挖對圍巖內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生擾動，其中開挖過程中方案2兩側(cè)巖體所受到的壓應(yīng)力為7 MPa，采場內(nèi)充填體受到的壓應(yīng)力為0～1 MPa，未超過充填體的抗壓強度，可以保證采場開采安全。開采結(jié)束后方案2的圍巖豎向應(yīng)力增大到9.8 MPa，而方案1、方案3和方案4周圍巖體豎向應(yīng)力值都超過了10 MPa，此時方案2的頂板巖層應(yīng)力貫通區(qū)范圍最小，其周邊應(yīng)力集中要小于方案1、方案3、方案4。

2）位移分析。各方案回采結(jié)束后豎向位移對比云圖見圖5。

從圖5可以看出：豎向位移分布規(guī)律大體與豎向應(yīng)力分布一致，其中礦柱回采結(jié)束后，底板開始有底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)，位移量1.2 mm左右，頂板也開始出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，但由于采場長度比較小，頂板位移量在可接受范圍內(nèi)。二步采全部回采充填結(jié)束后，方案3、方案4產(chǎn)生的頂板位移超過20 mm，這是因為頂板暴露時間相對較長所致，而方案1、方案2由于二步采長度較小，頂板位移量在18 mm以內(nèi)，根據(jù)巖體工程失穩(wěn)綜合判據(jù)，20 mm以下的位移對巖體穩(wěn)定基本不構(gòu)成影響。因此，礦房35 m、礦柱10～15 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)在安全性上相對較好。

由于各個方案在開挖過程中塑性區(qū)均出現(xiàn)的較少，破壞單元區(qū)域基本一致，且各方案在回采結(jié)束后，采場充填體內(nèi)沒有形成大面積的貫通，說明各方案巖體沒有發(fā)生破壞，故4個方案回采后塑性區(qū)域的可比性不大。通過對4個開挖方案模擬結(jié)果進(jìn)行比較，分析其豎向應(yīng)力、位移沉降分布參數(shù)，最終得到不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的采場穩(wěn)定性對比如下：方案2>方案1>方案4>方案3。其中，方案1、方案2采場穩(wěn)定性較好，但考慮到方案1前期生產(chǎn)能力不高，而且工人很難控制一步采10 m礦柱的采寬，因此推薦方案2，也就是礦房35 m、礦柱15 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.4 應(yīng)用效果

石湖金礦針對下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法，通過Flac3D數(shù)值模擬軟件對該回采工藝的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，在101采區(qū)130 m中段27勘探線—31勘探線進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗，取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與原工藝相比，有大幅度提高，見表3。

4 結(jié) 論

1）針對急傾斜中厚破碎礦體開采存在的技術(shù)問題，開展了下向鑿巖平行中深孔落礦分段充填采礦法試驗研究，在兼顧生產(chǎn)安全的同時，提高了采礦效率。

2）運用數(shù)值模擬軟件對礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示：在分段高度10 m的情況下，礦房35 m、礦柱15 m的采場最為穩(wěn)定。

3）通過對優(yōu)化后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Optimization of stope structure parameters for steeply

inclined mediumthick fragmented ore bodies and its application

Liu Longqiong1，Zhou Le1，Wen Song2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Shihu Mining Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Since the upward horizontal slicing and filling mining method used in Shihu Gold Mine to mine the steeply inclined mediumthick fragmented ore bodies incurs low stoping efficiency and high mining costs，Shihu Gold Mine carries out experimental research on downward drilling parallel mediumlong hole caving and sublevel filling mining method based on the mining technical conditions of the ore bodies in Shihu Gold Mine，and optimizes stope structure parameters using numerical simulation software.Industrial application results show that according to the strategy "to recover the ore pillar in the first step and the ore room in the second" and in the premise of 10 m sublevel height，the stope is the most stable when the ore pillar and the ore room are 15 m and 35 m in width respectively.With these structure parameters for mining，the stope production capacity reaches 202 t/d，ore dilution is 5.36 %，mining loss rate is 3.52 %，showing a fairly good effect.The research can be used as reference by similar metal mines.

Keywords：steeply inclined mediumthick;fragmented ore body;downward drilling;parallel mediumlong hole;sublevel;filling mining method;stope structure parameter