某金礦采空區影響下深部礦體回采順序優化

王 昊，張 飛，郝勇浙

（內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古 包頭 014000）

金屬礦山地下開采活動中，礦體的開挖會打破巖體的原巖應力狀態生成新的次生應力場[1]。而不同的開采順序會使巖體表現出不同的應力分布狀態，所以合理設計、調整礦體的回采順序，可顯著提高采場的穩定性[2]。國內外學者對優化礦體開采順序做了大量的研究，其中，葉義成[3]等采用相似模擬實驗方法，分析上橫山礦前進式和后退式開采時圍巖及地表應變變化規律，研究嗣后充填采礦法開采礦體時合理的回采順序。由于傳統的相似模擬實驗會消耗大量的人力和物力，加之計算機技術的快速發展，數值模擬在地下礦山開采中的應用愈發廣泛。梁勝增[4]等使用FLAC3D數值模擬軟件，模擬優化了銅山銅礦30#礦體的回采順序。胡建華[5]等基于巖體時變力學參數優化了高峰礦-150 m~200 m礦段開采順序。張弛[6]等在數值模擬基礎上，構建了礦體開采順序優化的協同測度模型，綜合技術、經濟兩種指標計算出各回采方案的協同度，以此來優化礦體的回采順序。張德明[7]通過壓力拱理論對數值模擬結果進行對比分析，得出了礦房按“品”字形布置時，回采過程中采場的壓應力、拉應力和位移值遠小于其他方案，在礦山推廣使用后取得了良好的經濟、社會效益。

實際上，礦山淺部資源的回采往往會遺留下大量不規則的采空區，這些空區的存在對深部礦體的賦存環境是有影響的，以往對淺部礦體開采擾動條件下礦體的回采順序研究較少，為此，本文以內蒙某金礦13號礦脈為研究對象，使用FLAC3D數值模擬軟件，分析淺部礦體開采擾動下深部礦體的應力分布規律，并研究最優的回采順序。

1 工程概況與數值模型

1.1 工程概況

該金礦13號礦脈418中段以上礦體基本開采完畢，為殘留的采空區。礦體傾向140°~204°，傾角45°~85°，厚度0.43m~8.36 m。據礦體賦存特征及開采技術條件，結合礦山目前采用的采礦方法，對于傾角大于30°的礦體，采用淺孔留礦法開采。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為50 m，其中礦房44 m，頂柱4 m，間柱6 m，底柱6 m，寬度為礦體厚度。傾角小于30°的礦體，采用全面法開采。礦體頂底板圍巖均為片麻巖，屬于半堅硬～堅硬巖石，整體穩定性較好。

1.2 模型的建立

根據礦山13號脈的礦體賦存條件和采空區探測結果，礦體沿走向上的長度達到2 000m~3 000 m，若建立整個礦區的三維數值模型，要劃分的網格數量太多，無法完成計算，因此選取107至163剖面線之間礦體作為本次計算的實驗礦體，使用3DMINE建立礦脈和地表模型，導入RHINO后劃分礦房并建立實體模型，最后通過GRIDDLE插件劃分網格后導入FLAC3D中計算。如圖1所示為建立的礦山實體模型，沿Z方向分為618、578、538、498、458、418和368七個中段，沿X方向上將各中段礦體劃分為一系列的采場。其中418以上為已形成的采空區，368中段為待采礦體，從右至左劃分為7個礦塊。該模型整體沿X方向長度為700 m，沿Y方向長度為550 m，沿Z方向的高度為1 200 m左右，劃分網格后有798 848個網格，600 437個節點。

圖1 數值模型

1.3 巖體力學參數

根據礦山提供的巖石力學實驗結果，經過強度折減處理后，得到了數值模擬所需的巖體強度參數，具體參數如表1所示。

表1 巖體力學參數表

2 礦山開采現狀分析

礦山實際上回采418~618中段礦體時的順序為階段上采用自上而下分中段開采，中段內采用自遠而近（自端部向豎井）后退式開采，由于模擬主要是分析淺部礦體開挖擾動對下部礦體的地壓分布規律的影響，因此可適當簡化開挖步驟，計算中采用了各中段分步回采的計算方式，即自上而下分步開采，每次開采一個中段內礦房。

淺部空區開采完畢后礦體的應力分布如圖2所示，受上覆空區開挖影響，418中段下部未開采礦體出現應力升高區，應力集中范圍分布在418 m~380 m中段礦體上，結合測線處的最大主應力變化曲線可知，靠近已采空區的礦體應力集中程度較大，隨著礦體深度增加逐漸降低，礦體深度大于390 m之前應力變化明顯，小于390 m之后應力變化曲線逐漸平緩，之后隨著深度增加應力略微上升。說明上部空區開挖后的影響范圍為390 m以上，為更加準確的分析影響范圍內礦體的應力分布規律，選擇390 m水平做橫剖圖，應力分布規律如圖3所示。該區域內礦體上盤位置出現應力集中區，下盤位置出現應力降低區，應力異常區域分布在空區下方礦體附近，遠離此范圍內的圍巖仍處于原巖應力狀態。

圖2 深部礦體應力分布規律（礦體走向）

圖3 深部礦體應力分布規律（橫剖面）

綜上所述，受上覆空區開挖擾動影響，深部礦體出現應力異常區域，其中處于應力升高區的巖體中積累了大量的彈性能，若在此條件下進行深部礦體的開采活動，很有可能會發生沖擊地壓和誘發巖爆等后果。

3 深部礦體回采時序優化

3.1 深部礦體回采方案

深部礦體在上部采場開挖擾動下，應力分布錯綜復雜，增加了深部礦體的開采難度。針對這一問題，周科平[8]等提出了采礦環境再造理論，研究表明可通過一定的技術手段,改造礦體賦存的地質環境，以實現礦山的安全、高效生產。鄧紅衛[9]根據這一理論，在深部待采礦體與空區之間保留了一定厚度的隔離帶，避免了在應力過高的區域開采礦體。綜上所述，可充填418、458中段全部空區形成水平隔離層，以改善深部礦體的賦存環境。

深部開挖區域的礦體共劃分為7個礦房，采礦方法為潛孔留礦法，共設計了四種回采方案，分別為后退連續式開采、后退間隔式開采、前進連續式開采和前進間隔式開采，具體開挖步驟如表2所示。

表2 深部礦體回采方案設計

3.2 結果分析

3.2.1 應力演變規律

最大主應力反應的是巖體受壓的情況，過大的壓應力是導致巖爆發生的主要原因。如圖4（a）所示，四種方案的最大主應力都表現出逐步上升的趨勢，最大壓應力值分別為71.8 Mpa、69.8 Mpa、77 Mpa和79.2 Mpa，均已超過了巖體的抗壓強度。其中方案三和方案四在第四步開挖之前最大主應力變化平穩，從第五步開挖之后最大主應力上升幅度急劇增加，這是由于方案三和方案四都采用隔一采一的回采順序，而兩個采場之中應力集中區往往出現在相鄰采場之間的隔離礦柱以及礦柱與頂底板的拐角處，而這種回采順序從空間上避免了各采場之間的相互影響，因此直到第五步開挖兩采場之間的礦體時才出現最大主應力迅速上升的現象。方案一和方案二都在開挖到最后一步壓應力達到最大值，方案二最大壓應力雖然比方案一小，但在開挖第三步時壓應力太大，地壓管控困難，因此方案一更有利于采場礦壓控制。

圖4 應力時變曲線

最小主應力反應的是巖體中是否出現了拉應力，由于巖體抗壓不抗拉的特點，拉應力容易導致巖體的破壞。方案1-4的拉應力變化規律各不相同，這是因為采場開挖過程中，礦體的厚度、傾角以及相鄰采場開挖后產生的次生應力場都會影響拉應力的大小，因此拉應力值的變化沒有明顯的規律。但各方案的最大拉應力值分別為1.84 Mpa、1.85 Mpa、1.87 Mpa和1.80 Mpa，均沒有超過圍巖的抗拉強度，而且圍巖的拉伸塑性破壞區范圍較小，故四個方案均不會引起采場圍巖的拉破壞。

3.2.2 位移演變規律

從位移變化規律（圖5）來看，隨著采場的不斷推進，采空區暴露的面積和時間不斷增大，導致采場位移值呈現出逐漸上升的趨勢，最大位移值分別為7.8 cm、8.9 cm、8.4 cm和8.5 cm。研究結果表明，方案一采場圍巖整體位移量最小，且采場最大位移值也是四個方案中最小的。故方案一更有利于采場圍巖的變形控制。

圖5 位移時變曲線

4 結論

（1）利用3DMine—rhino耦合建模技術建立礦體三維地質模型，模擬研究了淺部礦體開挖擾動下深部礦體應力分布規律，結果表明，390 m水平以上礦體受上覆采場開挖擾動影響較大，出現應力集中區和應力降低區，390 m水平礦體以下應力迅速衰減，逐漸恢復為原巖應力狀態。

（2）基于采礦環境再造理論，充填418、458中段空區形成水平隔離層，可有效改善深部礦體的賦存環境，有利于實現深部礦體的安全開采。

（3）通過對比分析各方案回采過程中采場最大主應力、最小主應力、位移變化情況和回采完成后采場的破壞情況，認為方案一為最佳回采方案。