云南某鉛鋅礦采場護頂層回采方案優化研究

李旺

摘要：采場頂板的穩定是保障井下作業人員安全和降低礦石貧化損失的關鍵。針對該礦山氧化礦采場頂板不穩固、回采容易脫落等問題，采用了膏體充填法取代了原先的分層崩落法。為有效銜接兩種方法的回采工藝，依據護頂層厚度、進路斷面尺寸和支護鋼架間距，提出4種護頂層回采設計參數，并采用數值分析方法對其采場護頂層的回采方案展開優化研究。數值計算分析表明：采用鋼支架方案時，從其頂板的位移值和塑性區均顯示進路為3m×3m，護頂層厚度1m、鋼架間距0.5m為最優回采方案，不僅能夠維護采場的基本穩定，同時大大提高了資源利用率，為礦山的安全生產提供了良好的作業環境，也為礦山帶來良好的經濟效益，對同類采場作業環境的回采設計提供了一定參考。

關鍵詞： 護頂層回采;結構面調查;采場穩定;方案優化

Abstract： The stability of stope roof is the key to ensure the safety of underground operators and reduce ore dilution loss. In view of the problems of unstable roof and easy falling off during stoping， paste filling method is adopted instead of the original slicing and caving method. In order to effectively connect the two methods of mining technology， according to the thickness of the top protection layer， the size of the access section and the support steel frame spacing， four mining design parameters of the top protection layer are proposed， and the numerical analysis method is used to optimize the stope top protection mining scheme. The numerical calculation and analysis show that： when adopting the steel support scheme， the displacement value and plastic zone of the roof show that the drift is 3m×3m， the thickness of the protective top layer is 1m， and the spacing between steel frames is 0.5m. It can not only maintain the basic stability of the stope， but also greatly improve the utilization rate of resources， which provides a good working environment for the safety production of the mine， and also brings good economic benefits for the mine and provides a certain reference for mining design of similar stope working environment.

0? 引言

提高資源利用率、降低礦石損失貧化和維護采場作業環境的安全，是每一位采礦人員追求的目標，然而地下工程環境差異較大，往往存在很多采場圍巖破碎、不穩固，在回采過程中容易出現冒落，危害采場作業人員安全。安全高效生產是眾多礦山亟待解決的重要課題，礦山管理者必須從多個維度制定不同的回采方案，合理的回采順序，合理的回采參數，其是保障礦山采場穩定性的重要基石[1-4]。在地下巖體經過工程開挖擾動后，導致應力重新分布，高應力環境下，深部巖體的應變能高度聚攏，動力災害日趨明顯[5-7]。目前，在針對維護采場穩定性方面，眾多學者對采場結構參數與回采順序的優化做了大量研究。如李家卓等[8]應用計算機模擬、理論分析、現場實測等綜合研究方法，分析了煤層群開采條件下失穩機理，再現了不同開采順序下的底板動壓回采巷道圍巖力學環境;羅周全等[9]為了充分回收礦產資源，綜合分析該礦山開采現狀、礦山壓力及礦床地質概況，提出三種采場結構初步方案，采用三種采場結構初步方案，并對其進行優化得到了采場處最有利的力學狀態和采場變化時的力學響應特征;安龍等[10]針對高應力環境下的深厚礦體，基于產能、技術和經濟指標要求，提出了4種礦柱回收順序和5種合理的礦房回采順序;劉欽等[11]為研究三山島金礦采場穩定性，采用ANSYS有限元數值模擬，計算出不同采場結構參數下的應變和圍巖應力狀況，并研究礦柱在采礦過程中的力學作用，有效揭示了回采過程中礦柱的應力轉移特征;王臣[12]通過對無底柱分段崩落法采場結構參數的計算與分析，得出了結構參數綜合的賦存狀態，采場地壓，礦山鑿巖，出廠設備等因素影響，從而使采場結構得到最優化，確保了礦山可持續發展。

基于上述對采場參數和回采工藝的研究，不難看出，在維護采場穩定的情況下，在回采順序和采場結構參數的優化方面作了較多研究，然而，結合采場護頂層設計和支架共同作用下的回采工藝相對較少，文章基于此出發點。不僅考慮采場的“維穩”，同時注重提高礦石的回收率，改善礦山礦產資源的利用率，間接提高了礦山的經濟價值。為此，文中將采用FLAC3D對不同回采方案和采場護頂層設計參數進行優化與分析，優選出適合于礦山的回采方案與采場護頂層留設參數，對同類礦山的采場設計具有較好的參考價值。

1? 礦山采場工程概況

該礦山1#礦體上部氧化礦屬不穩固礦體，以氧化礦為主，含有少量硫化礦，氧化礦結構疏松，采礦作業過程中礦巖整體強度低。1#礦體賦存在礦山廠背斜南東翼下石炭統擺佐組中上部粗晶白云巖和灰色灰巖中，大致順層產出，走向45～50°，傾向南東，傾角45～55°，平均厚度12.45m。礦石工業類型主要為混合礦和氧化礦兩大類，氧化礦又進一步分為土狀氧化礦和混合型氧化礦兩類。土狀氧化礦分布于1800m標高以上，混合型氧化礦分布于1934～1844m標高之間，混合礦分布于1884m標高以下。鉛鋅品位在18%以上。

該礦上部氧化礦前期使用分層崩落法回采，末采分層分別為1964m以及1934m（圖1所示），因氧化礦疏松和下向式分層崩落法產能低、貧化損失大以及采礦成本高等，氧化礦已全部停止使用分層崩落法進行回采，取而代之使用安全系數較高、貧化損失小、機械化程度高的膏體充填采礦法，該采礦方法可有效維護圍巖穩定，減少圍巖移動和防止采空區大面積冒落。

2? 采場巖體結構面空間分布統計分析

結構面情況的差異是區別巖體不同結構面的重要標志，是巖體工程地質特性千變萬化的根源。結構面越多，被它們所切割而成的巖塊就越多;結構面的組數越多，巖塊的幾何形態就越復雜，巖體則越破碎。在巖體中，結構面往往按照它們的生成關系，構成一定的組合，呈有規律的分布，它們既有成組發育的特點，又有一定的分散性，而且各組結構面在其規模和發育程度，如數量、密度等也常常很不平衡。在經受多次構造運動后，巖體中的結構面更呈現出既有規律又極其復雜的空間分布狀態。為了確定巖體中結構面發育的組數和各組結構面的發育程度，掌握結構面的分布規律，采用極點等密圖法進行結構面得統計分析，根據極點等密圖統計的結果尋找優勢結構面。對現場實測的巖體結構面產狀，應用Rocscience Dips V5.103生成走向玫瑰花圖和極點等密度圖見圖2～圖3，根據節理極點密度等值線圖確定的優勢節理組及其產狀。從統計結果看，白云巖發育有一組優勢結構面，其產狀為：傾向在225～243°之間，傾角在85～88°之間。結構面優勢傾角較大，對礦柱和圍巖的穩定極為不利。

3? 護頂層回采方案優化模型的建立

3.1 基本假設

在上部空區崩落的情況下，在預留護頂層下通過進路回采礦體，進路回采后采用鋼架進行支護，當進路回采后，需拆除鋼架進行充填。由于這一采礦過程的復雜性，在實際三維力學建模過程中，為了模型的計算精度以及可靠，需對模型做適當的簡化，但簡化不會影響工程計算的實質問題。

3.2 模型的建立

①計算域：為了滿足計算需要和保證計算精度，并根據研究范圍大小，本次計算模型尺寸設置為150m×100m×90m，即垂直礦體走向方向取150m（x方向），沿礦體走向方向取100m（y方向），垂直方向取90m （z方向，1890～1980m），重點分析礦山廠6號至8號勘探線之間1932m高程下氧化礦體在開采過程預留不同護頂層厚度時的安全性與可靠性。結合礦山實際，利用高度與載荷的關系，對模型上部施加覆巖重量的均布荷載。對于上部崩落空區，由于有限差分發模擬崩落空區的較難，因此在實際模擬過程中，先將上部空區開挖，計算平衡后，再以較低崩落散體巖體力學參數進行賦值計算，依此來模擬上部崩落空區散體對護頂層的重力荷載。模型共計294934個節點，281820個單元。三維力學模型圖見圖4所示;上部崩落空區、護頂層與回采進路相互關系圖見圖5所示，進路鋼架支護示意圖見圖6所示。

②地應力設置：根據礦區實測地應力結果，礦區的地應力以水平構造應力為主導，最大主應力的方位大致呈NNW向，最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力值隨埋深的回歸特性方程如公式（1）-公式（3）：

③邊界條件：計算域邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節點采用x、y、z三個方向約束，xy所在平面采用z方向約束，yz所在平面采用x方向約束。

3.3 計算方案

采用進路式回采，回采時采用“隔二采一”的方法，總的回采順序1、4、7、10、15號礦房，然后為2、5、8、14、11號礦柱，再采3、6、13、9、12號礦房等，即：1號進路回采支護—4號進路回采支護同時充填1號進路—7號進路回采支護充填4號進路—10號進路回采支護。對于斷面為4m×4m的進路，當不夠隔二采一時，改為隔一采一。擬預留護頂層分別為1m和0.5m，回采進路采用工字鋼支護，進路斷面為3m×3m和4m×4m，鋼架間距為0.5m和1m。不同組合方式見表1所示。

3.4 計算采用本構模型及巖體參數

計算中采用莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則判斷巖石的破壞，如公式（6）：

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應力，C，φ分別是粘結力和摩擦角。當fs>0時，材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下，巖石的抗拉強度很低，因此可根據抗拉強度準則（σ3？叟σT）判斷巖石是否產生拉破壞。根據現場地質調查和室內巖石力學試驗結果計算得巖體力學參數見表2所示。

4? 數值計算結果分析

鑒于篇幅限制，未將所有計算分析結果一一顯示，僅羅列四種方案中垂直位移計算結果（圖7），根據計算結果分析出各方案下垂直位移曲線（圖8），水平位移曲線（圖9）。

計算結果表明，鋼架的間距對進路的支護效應比較明顯。隨著鋼架間距由0.5m增加到1m，進路頂板的護頂層的位移明顯增加;隨著護頂層的厚度從1m減小至0.5m，在同等條件下進路頂板護頂層的垂直位移有明顯的增加;在護頂層厚度本身不大且鋼架間距擴大的情況下，進路頂板護頂層垂直位移位移持續增加。各進路回采后，隨著方案①至方案④，各進路頂板最大垂直位移整體呈逐漸增大趨勢;且從方案②開始，頂板護頂層破壞比較嚴重。綜合對比分析，進路斷面為3m×3m時，預留護頂層為1m和0.5m并進行支護情況下的四種方案中，方案①最優，即進路斷面3m×3m，護頂層厚度1m，鋼架間距0.5m方案基本能夠保證各進路的順利回采。

5? 結論

①對白云巖進行了現場結構面調查，調查顯示白云巖節理發育、大部分屬于急傾斜結構面，存在一組優勢結構面，其傾向在225～243°，傾角在85～88°之間。

②采用FLAC3D三維數值計算軟件對四種方案的計算結果進行了優選和分析。采用進路為3m×3m時，護頂層厚度1m、鋼架間距0.5m為最優回采方案，該方案不僅能能滿足進路回采后充填過程中護頂層與進路的穩定性，同時能擴提高礦石回采率，具有較好的經濟價值。

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