剛果（金）某銅鈷礦深部復雜礦體采場結構參數研究①

李 路，徐 鵬，賀 超，王乃斌，鄒 平，王飛飛

（1.萬寶礦產有限公司，北京 100053；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

地下采場結構的穩定性對于礦山安全生產至關重要，合理的采場結構能夠提高礦山生產經濟效益［1－2］，有效控制井下開采造成的地表沉陷、垮塌等礦山災害［3－4］。不同礦山因工程地質差異較大，采場結構不能完全照搬其他礦山［5－10］。剛果（金）某銅鈷礦深部礦體開展初步設計，急需推薦采場最優礦房寬度、地表危險范圍與巖層移動角。本文依據實際工程情況，建立了礦區三維實體模型，模擬礦體在不同礦房寬度開采情況下的地表位移、最大主應力與最小主應力以及模型塑性區分布等情況，依據結果推薦最優的礦房寬度；最后基于地表位移，依據經驗法得到了巖層移動角，研究結果可為礦山開采設計與優化提供參考。

1 礦山概況

剛果（金）某銅鈷礦位于上加丹加省利卡西市北，銅鈷礦床按礦體分布分為中礦體、主礦體、西礦體、西南礦體、北礦體、南Ⅰ礦體、南Ⅱ礦體、東Ⅰ礦體、東Ⅱ礦體及深部礦體等10個礦體，東西長3.7 km，南北長2.3 km。

深部礦體賦存標高＋950～＋1 164 m，埋深＋250～＋500 m。含礦地質體整體呈板狀向SSE緩傾（傾角10°～15°），南北寬400～900 m，東西長約1 300 m，厚100～300 m，全部由羅安群礦山亞群地層組成，地質體內巖層產狀穩定。深部礦體主要位于當地侵蝕基準面以下，地表大部分被第四系松散堆積物所覆蓋。水文地質條件屬復雜類型。

擬采用中深孔階段空場嗣后充填法采礦，以盤區形式布置采場。推薦盤區平面尺寸為100 m×150 m，每個盤區內布置12個礦塊，礦塊長45 m、寬25 m，盤區中央預留10 m間柱，礦塊高度為礦體厚度，礦塊分礦房和礦柱兩步回采，盤區內礦房和礦柱回采結束后進行間柱的回采。優先開采品位較高的990 m中段，采用自上而下的開采順序，990 m中段開采結束后開采950 m中段，最后開采1 030 m中段。

2 數值模擬

2.1 計算模型

依據礦山提供的地質圖資料，經過一系列處理后獲得了工程地質剖面圖，導入MIDAS?GTS／NX軟件中生成計算模型。模型長1 678 m、寬1 360 m，高640～745 m。采場長60 m、高40 m、寬16～20 m，礦柱寬18 m。該模型包括了地表地層、礦化層、微風化白云巖、中風化白云巖、全風化白云巖、構造角礫巖、泥質白云巖粉砂巖等巖層。該模型共建立了528個實體。

考慮到礦山模型較大，對于非研究重點區域，網格劃分相對稀疏。而開采礦體為本次研究重點，網格劃分較密［11－12］。采場網格劃分密度為5 m，劃分1 m為一個計算節點，其他巖層網格密度為20 m，地表模型網格劃分密度為10 m。最后劃分網格后模型有65 422個節點、389 206個單元。最終劃分的三維網格如圖1所示。

2.2 計算參數

三維模型計算采用的巖體力學參數見表1。

表1 巖土體力學參數

為了研究該銅鈷礦深部礦體開采的合理采場寬度，建立了3種詳細的三維數值分析模型。3種采場寬度分別設置為16 m、18 m與20 m，每種采場寬度對應一種數值分析模型。依據數值模擬計算結果，分析采場寬度對地表位移、礦體中留存礦柱應力及礦體中塑性區等的影響。

3 結果分析

3.1 模型位移分析

為了研究深部礦體的開采對地表的影響，對模擬開采后的地表豎直方向位移進行提取，得到了地表測點產生的豎直方向位移。不同采場寬度條件下得到的地表測點位移如圖2所示。以產生豎直方向位移10 mm為界限，可得到開采深部礦體對地表位移的影響范圍。由圖2可知，采場寬度16 m、18 m和20 m時的地表沉降位移分別為20.18 mm、21.42 mm和27.15 mm。對比分析可知，采場寬度16 m與18 m對地表沉降影響相近，由此可知，從深部礦體開采對上部巖層影響的角度分析，優選采場寬度18 m。從3種采場寬度對上部巖層影響程度看，采場寬度20 m對采場影響較大，由此可知，采場寬度18 m為最優選擇。

圖2 地表測點沉降位移

采場寬度16 m、18 m和20 m時深部礦體開采對地表位移影響范圍分別為1 012 m、1 033 m和1 245 m。由以上分析可知，優選采場寬度18 m。

3.2 模型應力分析

為了研究開采深部礦體對上部巖層應力的影響，計算了開采后的巖層與礦體的最大主應力與最小主應力。對模型最后步驟得到的礦體中的應力進行提取、分析，判斷礦體受到的拉應力與壓應力是否大于礦化層強度。若礦體中的拉、壓應力均小于礦化層強度，則可以初步判斷在礦體中留存礦柱的穩定性。不同采場寬度條件下的應力云圖如圖3～5所示。

圖3 采場寬度16 m工況模型應力

由圖3可知，采場寬度16 m條件下，模型中最大拉應力1.05 MPa、最大壓應力12.21 MPa。由于最大拉應力與最大壓應力沒有產生在采場及其較近圍巖中，且礦體抗拉強度為1.11 MPa，大于模型最大拉應力，采場在理論上不會發生拉破壞；礦體抗壓強度為22.13 MPa，大于模型最大壓應力，能夠保證安全生產。

由圖4可知，采場寬度18 m條件下，模型中最大拉應力1.03 MPa、最大壓應力14.62 MPa，均小于礦體抗拉強度和抗壓強度，采場在理論上不會發生拉伸破壞，能夠保證安全生產。

由圖5可知，采場寬度20 m條件下，模型中最大拉應力1.08 MPa、最大壓應力15.79 MPa，均小于礦體抗拉強度和抗壓強度。

圖5 采場寬度20 m工況模型應力

3種采場寬度數值模擬結果顯示，采場寬度對應力值影響較小。從云圖可知，深部礦體開采后礦柱承擔了上部巖層的重力，礦柱中壓應力較大，但留存的18 m礦柱能夠滿足應力要求，保證安全生產。

3.3 模型塑性區分析

為了研究開采深部礦體對巖層的影響，通過建立三維數值分析模型模擬開采過程，得到了模型塑性狀態與塑性區分布，不同采場寬度條件下應力云圖如圖6所示。通過分析塑性區分布能夠了解到可能發生塑性破壞的位置，以便更好地指導礦山安全生產。

圖6 塑性區分布

由圖6可知，各采場寬度條件下，礦體大部分巖層中塑性狀態很好，沒有產生塑性區。在開采的礦體上部部分中風化白云巖巖層與礦體下部強度較低的泥質白云巖粉砂巖中產生了塑性區，采場寬度16 m、18 m和20 m時產生的塑性區分別占整個模型的16.2%、24.7%和25.1%。塑性區主要集中在充填體中，礦柱中基本沒有產生塑性區。

通過對比3種采場寬度開采的模型可知，采場寬度16 m模型產生的塑性區面積最小，采場寬度18 m模型的塑性狀態最好，在采場及下部泥質白云巖粉砂巖中產生的塑性變化的體積較小。采場寬度20 m模型塑性狀態最差、塑性區體積最大。采場寬度18 m為最優尺寸。

4 地表移動范圍圈定

該銅鈷礦礦體上部賦存較厚的微風化白云巖，巖性好，深部礦體開采對地表的影響較小，地表產生的沉降亦較小。本次分析以15 mm下沉值的點來確定危險移動邊界線。在剖面上采空區邊界點和盆地危險邊界點連線與水平線間在采空區外側的夾角為移動角。

根據圈定范圍的原則初步計算得到圈定的該銅鈷礦地表移動角與移動范圍如表2和圖7所示。推薦采場寬度18 m，此時地表移動危險變形分界線為礦體中心點南北711 m、東西517 m，地表移動角75°。

表2 地表移動角與移動范圍統計

圖7 地表移動角與移動范圍

5 結 論

為了推薦最優礦房寬度，獲得礦山巖體移動角與危險邊界，采用數值模擬軟件MIDAS?GTS／NX建立了3種不同礦房寬度的三維模型，分別研究了不同礦房寬度條件下的地表位移、礦房應力與塑性區分布情況，通過分析三維模擬結果，得到以下幾點結論：

1）通過分析不同采場寬度工況下的地表位移、礦房最大主應力與最小主應力分布及大小、礦房塑性區分布等，推薦最優采場寬度18 m。

2）采用數值分析方法計算得到采場寬度16～20 m條件下的地表危險范圍，其中采用推薦的18 m采場寬度時，開采深部礦體產生的地表移動危險變形邊界線為礦體中心點南北711 m、東西517 m，地表移動角75°。

3）剛果（金）某銅鈷礦深部礦體采用空場嗣后充填法開采，對巖層移動有很好的控制作用，在滿足設計充填體強度、接頂良好與及時充填的情況下，巖層移動角為73°～82°。