阿舍勒銅礦厚大礦體回采順序優(yōu)化研究

唐匡仁 韓鋒偉

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

1 地質及開采技術條件

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū)，屬于火山噴氣沉積-變質熱液疊加形成的塊狀硫化物銅鋅礦床，銅工業(yè)儲量近92 萬噸。該銅礦主要由一號、二號礦床組成，其中，Ⅰ號礦體是一號礦床的主要礦體，其銅金屬量占礦床總儲量的97.43%，是礦床中最主要的工業(yè)礦體；Ⅰ號礦體賦存于第二巖性中亞段的英安質沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。

礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。褶皺后東翼頂板以英安質沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。底板為玄武巖；西翼礦體和轉折端附近礦體頂板仍以玄武巖為主。底板則以英安質沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。調查統計地質鉆孔巖芯RQD 發(fā)現，黃鐵礦平均RQD 為81.2%，銅硫礦平均RQD 為70.9%，凝灰?guī)r平均RQD為41.5%。RQD較低的凝灰?guī)r遇水易軟化、泥化、崩解、膨脹。

礦體總體呈南北向分布，銅礦礦體走向長度853m，最大垂深900m，礦體東翼平均厚度45m，西翼平均厚度20m，傾角55°～85°，具有儲量大與水平厚度大等特點。銅礦石品位2.43%，主要礦物為黃銅礦，Zn、S 共生。依據應力測試結果，開采至800m 深度時，最大主應力為37.7MPa，水平應力接近垂直應力的1.5倍，礦區(qū)以水平構造應力為主。

2 采礦方法簡介

通過比選，針對厚大礦體采用大直徑深孔空場嗣后充填法。該方法采準及開拓工程布置較少，生產效率高、且相對安全。該采礦方法采場垂直礦體走向布置，采場寬為12m，高為中段高，一般為50m，當礦體厚度小于50m時，采場長為礦體寬度，當礦體厚度大于50m時，則布置兩個采場，分上下盤進行開采。

目前，礦山采用隔三采一的回采方式進行一步驟回采，采場之間不留間柱，一步驟回采完畢之后進行膠結充填，再進行二步驟回采。二步驟采場開采時出礦穿脈借用已充填完畢的采場底部穿脈巷道，需進行二次開挖，通過殘礦堆時進度較慢，危險較高。大直徑深孔空場嗣后充填法結構主要包括頂部鑿巖硐室、切割槽、底部結構等，該采礦方法示意圖見圖1。

圖1 大直徑深孔空場嗣后充填法示意圖

礦體上盤凝灰?guī)r遇水膨脹，強度降低，變形較大。隨著開拓工程和采礦工作不斷向深部發(fā)展，工程地質和礦體賦存條件將會變得越來越復雜，礦山地壓顯現變得越來越突出，合理的回采順序對于地壓控制、深部安全、高效、經濟的礦體開采至關重要。

3 回采方案制定

50m 中段共有采場20 個，從北向南依次為北6、北5、北4、北3、北2、北1、0、1、2、3、4、5號。根據礦山深部開采現狀，并考慮開采順序和一二期礦房布置。共設計了四種回采方案。

方案一：隔一采一，由中間向兩側的回采方案

礦房開采順序為2#采場、0#采場、北2#采場、4#采場、1#采場、北4#采場、3#采場、北1#采場、北6#采場、5#采場、北3#采場、北5#采場。

方案二：隔一采一，由兩側向中間的開采方案

礦房開采順序為2#采場、北2#采場、北6#采場、4#采場、0#采場、北4#采場、5#采場、1#采場、北3#采場、3#采場、北1#采場、北5#采場。

方案三：隔三采一，由中間向兩側的開采方案

礦房開采順序為5#采場、北5#采場、3#采場、北3#采場、1#采場、4#采場、北4#采場、北1#采場、2#采場、北6#采場、1#采場、北2#采場。

方案四：隔三采一，由兩側向中間的開采方案

礦房開采順序為5#采場、北6#采場、1#采場、北2#采場、3#采場、北4#采場、北1#采場、4#采場、北5#采場、0#采場、北3#采場、2#采場。

3 模型構建及參數取值

3.1 本構模型

本次方案研究采用數值模擬分析法，通過FLAC3D軟件仿真模擬開采全過程，分析不同回采方案中的應力、應變特征，進而優(yōu)選回采順序方案。

本次模擬對象為巖土工程特性，因此選擇莫爾庫倫模型，該模型所采用的破壞準則為摩爾庫侖準則和最大拉應力準則，破壞準則在最大和最小主應力面表示見圖3。

3.2 模型構建

FLAC3D 計算模型應嚴格控制研究區(qū)域內的網格密度，減小外圍區(qū)域的網格密度。根據以上原則，該銅礦計算模型長2270m，寬1450m，高1300m，共236838個節(jié)點，1380664個單元體。計算模型地表高低起伏依據實際地表地形建立的。根據地表地形圖的等高線分布情況，按照等高線的高程及疏密程度建立地表模型。

圖4 開采計算模型

圖5 礦體模型構建

3.3 參數取值

針對巖體力學參數的獲取問題，各國學者進行了大量的研究，常見的方法主要有數值法、經驗強度折減法、試驗法和地球物理等方法。實踐證明，綜合考慮多因素的Hoek-Brown 強度準則評估巖體力學參數的方法是目前最完善的方法之一。

本次巖體力學參數采用Hoek-Brown 強度準則進行折減，折減后的礦體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

4 計算結果分析

4.1 深部采區(qū)應力分布特征分析

（1）方案一回采過程應力分布特征分析

當開采至第三個采場時，在每個采場的頂板區(qū)域都形成了壓應力集中，壓應力數值為45～50MPa，采場頂部的應力集中區(qū)已和上個開采組合引起的應力集中區(qū)域貫通。在開采采場的南北兩側分別形成了壓應力集中區(qū)域，其數值甚至高達55～60MPa。

圖6 方案一開采過程中最大主應力分布特征

（2）方案二回采過程應力分布特征分析

當開采完四個采場時，在每個采場的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應力集中，壓應力數值為45～50MPa，同時，在相鄰的兩個一期礦房的頂板區(qū)域形成了一定區(qū)域的壓應力集中區(qū)。值得注意的是，在礦體中間未開采的區(qū)域形成了應力集中區(qū)，應力達到50～55MPa，此區(qū)域應力集中程度較高，開采該區(qū)域時易引起巖爆、冒頂或巖體垮塌事故。在該中段礦體南翼，開采擾動區(qū)域較小，礦體北端應力擾動區(qū)域范圍較大。

圖7 方案二開采過程中最大主應力分布特征

（3）方案三回采過程應力分布特征分析

當開采完三個采場時，在每個采場的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應力集中，壓應力數值為45～55MPa，同時，在相鄰的兩個一期礦房的頂板區(qū)域未形成明顯的應力組合拱。在靠近礦體南端的兩個采場之間出現了應力集中現象，應力最高達到50～55MPa。在礦體北端的相鄰的一期礦房內部未出現明顯的應力集中。該開采區(qū)域的兩端仍然是已出現應力集中的區(qū)域。在該中段開采區(qū)域的南側，應力最大45MPa，應力集中程度并不是很突出。在該中段開采區(qū)域北側，形成了范圍較大的應力集中區(qū)，最大應力達50MPa。

圖8 方案三開采過程中最大主應力分布特征

（4）方案四回采過程應力分布特征分析

當開采完四個采場時，同樣在每個采場的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應力集中，壓應力數值為40～45MPa。在開采中段南端的兩個相鄰采場之間的礦柱形成了應力集中區(qū)，應力達到50～55MPa，其范圍主要分布在開采中段采場的底部。在開采區(qū)域的南側和北側都生成了應力擾動區(qū)，開采區(qū)域南側的應力擾動區(qū)范圍較小，開采區(qū)域北側的應力擾動區(qū)范圍較大。這兩處應力擾動區(qū)均處于卸壓狀態(tài)。

圖9 方案四開采過程中最大主應力分布特征

4.2 結果分析與方案優(yōu)化

對比四種方案的應力分布可以看出，當地應力較小時，相鄰采場之間的礦柱不易形成應力集中，當地應力較高時，相鄰采場之間的礦柱越小（礦柱寬度為一個采場寬度），越不容易出現應力集中，礦柱越大（礦柱寬度為三個采場寬度），越容易出現應力集中。

因此，在圍巖完整性較好時，應盡量采用隔一采一、中間向兩側的開采方式。當圍巖完整性較差時，為保證二期礦房的穩(wěn)定性，應采用隔三采一、中間向兩側的開采方案。參考50m、100m 中段RQD 分布，應采用隔三采一、中間向兩側的開采方案。

表2 阿舍勒銅礦深部采區(qū)開采最大主應力

5 結論

隨著開采深度的增加，主應力的數值和集中程度都在不斷增加。在開采中段的頂板、底板區(qū)域容易形成應力集中，且頂板容易形成拉應力集中。模擬獲得的應力分布特征與微震視應力分布、變形區(qū)域分布規(guī)律類似，在150m 中段礦體南端、50m 中段礦體南端易形成應力集中，集中程度高于150m 中段、50m 中段礦體的中間位置。隨著開采中段采場的開采，在0m 中段、150m 中段采場的頂板區(qū)域形成了應力拱。

對比隔一采一、中間向兩側開采，隔一采一、兩側向中間開采，隔三采一、中間向兩側開采，隔三采一、兩側向中間開采四種方案的應力分布可以看出，當地應力較小時，相鄰采場之間的礦柱不易形成應力集中，當地應力較高時，相鄰采場之間的礦柱越小（礦柱寬度為一個采場寬度），越不容易出現應力集中，礦柱越大（礦柱寬度為三個采場寬度），越容易出現應力集中。因此，在圍巖完整性較好時，應盡量采用隔一采一、中間向兩側的開采方式。當圍巖完整性較差時，為保證二期礦房的穩(wěn)定性，應采用隔三采一、中間向兩側的開采方案。依據50m、100m 中段RQD 分布，應采用隔三采一、中間向兩側的開采方案。