杜達鉛鋅礦薄至中厚礦體回采采場參數優化研究

何磊，熊鷹，胡清

(中國華冶科工集團有限公司， 北京 100176)

杜達鉛鋅礦床賦存于產狀近南北向的兩翼不對稱向斜地層中，向斜軸向北西以 30°傾角側伏，局部為 45°，向斜西翼發育，傾角較陡，約 50°～80°。礦化帶投影延展范圍南北方向為1100 m，向北尚未封閉；東西寬約200 m，礦體厚度為10～40 m，礦體埋深在地表以下75～1000 m。中段礦化帶的水平走向長度一般在300～450 m之間，礦區地表標高550 m。

杜達鉛鋅礦0 m中段薄至中厚礦體采用上向進路充填采礦方法，采場結構參數設計按照類比 100 m中段回采參數，設計采幅為4～6 m，采場長度為50 m。在115 m分段首采段回采過程中發生上盤冒落、頂板變形等地壓問題。地下采場的形成使周邊一定范圍的巖體應力重新分布，導致巖石變形、破壞和移動，因此選取合理的采場結構參數非常關鍵。根據0 m中段巖性及地壓變化條件，通過數值模擬方法為采場結構參數的確定提供參考[1-3]，按照采場“隔一采一”步驟進行模擬計算，得到模型的力學響應，對采場附近應力、位移、塑性區進行對比分析，得到優化的采場結構參數[4-5]。確定合理的采場寬度、采場長度，對杜達鉛鋅礦進行安全高效回采具有重要的意義。

1 數值模擬方案

1.1 對比分析方案

根據杜達鉛鋅礦薄至中厚礦體采礦方法設計，沿礦體走向每 30～50 m 劃分為一個礦塊。采場長即為礦塊長，采場寬為礦體的水平厚度，采場高為中段高度，底柱高7 m，不留頂柱和間柱。在此基礎上設計的采場結構參數對比分析模擬方案詳見表1。

表1 薄至中厚礦體采場結構參數數值模擬對比方案

薄至中厚礦體數值模擬步驟：根據薄至中厚礦體賦存情況，首先分別對 Py-Zone、Zn-Zone采場設計4 m和6 m兩種采場寬度，采場長度初步設定為30 m，對比分析方案1、方案2的采場穩定性狀況，以獲得薄至中厚礦體開采時最佳的采場寬度B薄至中厚。結合得到的最佳采場寬度B薄至中厚，分別對Py-Zone、Zn-Zone采場設計30，40，50 m三種采場長度，對比方案3、方案4和方案5的采場穩定性狀況，最終獲得薄至中厚礦體開采時采場結構參數中另外一個參數，即最佳的采場長度L薄至中厚。

1.2 數值模型建立

數值模擬計算是以網格化的單元為基本計算單元，綜合考慮巖土材料的本構特性、連續介質的連續特性及邊界條件等，計算得到模型的力學響應。因此，在對采場整體穩定性分析之前必須先對已建立好的模型進行網格化處理[6-8]。圖1為網格化的三維數值模型，該模型尺寸為 350 mm×190 mm×320 mm，由275 175個節點、259 200個四面體單元組成。

圖1 三維數值模型

2 薄至中厚礦體采場寬度分析

2.1 采場寬度應力分析

根據杜達鉛鋅礦0 m中段采場模擬計算結果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone采場沿走向最大主應力分布特征分別如圖2和圖3所示，垂直走向最大主應力分布特征如圖4所示。

圖2 Py-Zone采場沿走向最大主應力分布

圖3 Zn-Zone采場沿走向最大主應力分布

圖4 垂直走向最大主應力分布

采場回采后，周邊圍巖應力重新分布，頂底板出現不同程度的應力集中。對比方案1和方案2最大主應力可知，當采場寬度達到6 m時，采場頂板中間位置出現了較大的拉應力集中，Py-Zone采場頂板拉應力集中最大值為2.1 MPa，Zn-Zone采場頂板拉應力集中最大值為0.5 MPa；當采場寬度為4 m時，Py-Zone采場頂板拉應力減小為 0.8 MPa，Zn-Zone采場應力集中不明顯?？傮w來說，6 m采場寬度時采場頂板拉應力集中較明顯，穩定性大幅降低，采場頂板極易受拉發生破壞。

通過對數值模擬結果的最小主應力分布進行分析，各方案采場周圍壓應力集中不明顯，對采場穩定性影響不大，差別也不明顯。

2.2 采場寬度位移分析

根據模擬計算結果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone采場沿走向位移分布特征分別如圖5和圖6所示，垂直走向位移分布特征如圖7所示。

圖5 Py-Zone采場沿走向豎向位移分布

圖6 Zn-Zone采場沿走向豎向位移分布

圖7 垂直走向豎向位移分布

采場回采后，頂底板出現不同程度的豎向位移。方案1采場寬度為4 m時，Py-Zone采場頂板向下沉降，最大值為5 mm，Zn-Zone采場頂板沉降最大值為2 mm。方案2采場寬度為 6 m時，Py-Zone采場頂板沉降最大值為7 mm，Zn-Zone采場頂板沉降最大值為4 mm。

對比方案1和方案2豎向位移可知，采場頂板豎向位移在2～7 mm范圍內，相對較小?？傮w來說，6 m采場寬度時的采場頂板沉降較4 m采場明顯，穩定性有所降低。

2.3 采場寬度塑性區分析

根據模擬計算結果，方案1和方案2中Py-Zone、Zn-Zone 采場沿走向塑性區分布特征分別如圖8和圖9所示，垂直走向塑性區分布特征如圖10所示。

圖8 Py-Zone采場沿走向塑性區分布

圖9 Zn-Zone采場沿走向塑性區分布

圖10 垂直走向塑性區分布

對比方案1和方案2塑性區可知，當方案2中采場寬度達到6 m時，Zn-Zone采場頂板靠近下盤圍巖處出現了貫通性的塑性破壞，破壞范圍達到了30%，而方案1中采場寬度為4 m時，不論是Py-Zone采場還是Zn-Zone采場，頂板圍巖均無明顯的塑性破壞特征。因此，6 m采場寬度相比4 m采場寬度，采場穩定性大幅降低。

綜上所述，根據薄至中厚礦體4 m、6 m兩種不同采場寬度下采場附近應力、位移、塑性區對比分析結果，薄至中厚礦體的最佳采場寬度B薄至中厚應控制在6 m以下，B薄至中厚=4 m較為適宜。

3 薄至中厚礦體采場長度分析

3.1 采場長度應力分析

根據上述模擬計算結果，確定了薄至中厚礦體最佳采場寬度為4 m，所以方案3中采場長度和寬度分別為30 m和4 m時，與方案1的模擬結果相同。方案4和方案5中Py-Zone、Zn-Zone采場沿走向最大主應力分布特征分別如圖11和圖12所示。

圖11 Py-Zone采場沿走向最大主應力分布

圖12 Zn-Zone采場沿走向最大主應力分布

采場回采后，方案4采場長度為40 m時，Py-Zone采場頂板拉應力最大值為1 MPa，Zn-Zone采場頂底板應力集中不明顯。方案5采場長度達到50 m時，Py-Zone采場頂板拉應力最大值為1.5 MPa，Zn-Zone采場頂板拉應力最大值為0.3 MPa。

對比方案3、方案4和方案5最大主應力可知，Py-Zone采場長度由30 m增加到40 m時，頂板中間位置拉應力最大值由0.8 MPa變為1 MPa，而采場長度由40 m增加至50 m時，頂板中間位置拉應力增至1.5 MPa，增幅較大。Zn-Zone采場長度增至50 m時，頂板也出現一定程度的拉應力集中，但較Py-Zone采場相比程度較輕。總體來說，50 m采場長度時采場頂板拉應力集中明顯開始驟增，穩定性大幅降低，采場頂板極易受拉發生破壞，而30 m和40 m采場長度時，應力集中增幅較小。

通過對數值模擬結果的最小主應力分布進行分析，各方案采場應力集中均不明顯，對采場穩定性影響不大，差別也不明顯。

3.2 采場長度位移分析

根據模擬計算結果，方案4和方案5中Py-Zone、Zn-Zone采場沿走向豎向位移分布特征分別如圖13和圖14所示。

圖13 Py-Zone采場沿走向豎向位移分布

圖14 Zn-Zone采場沿走向豎向位移分布

采場回采后，頂底板出現不同程度的豎向位移。方案4中Py-Zone采場頂板沉降最大值為6 mm，Zn-Zone采場頂板沉降最大值為4 mm。方案5中Py-Zone采場頂板沉降最大值為8 mm，Zn-Zone采場頂板沉降最大值為5 mm。

對比方案3、方案4和方案5豎向位移計算結果可知，采場長度由30 m增加至50 m時，頂板豎向位移逐步增大，總體在4～8 mm范圍內，位移均比較小。總體來說，采場長度50 m時采場頂板沉降較30 m和40 m采場明顯，穩定性有所降低。

3.3 采場長度塑性區分析

根據模擬計算結果，方案 4和方案 5中 Py-Zone、Zn-Zone采場沿走向塑性區分布特征分別如圖15和圖16所示。

圖15 Py-Zone采場沿走向塑性區分布

圖16 Zn-Zone采場沿走向塑性區分布

對比方案3、方案4和方案5塑性區分布情況可知，3個方案中Py-Zone采場附近均未出現明顯塑性破壞，薄至中厚礦體采場長度對采場穩定性影響不顯著；但在Zn-Zone不同采場長度的采場頂板出現了間斷性的塑性破壞（除30 m長度采場外），隨著采場長度的增加，破壞范圍有些許的增加，采場長度40 m時塑性區破壞區域約7%（其中貫通性塑性破壞約5%），采場長度50 m時塑性區破壞區域約10%（其中貫通性塑性破壞約8%）。

綜合薄至中厚礦體30 m、40 m、50 m三種不同采場長度下采場附近應力、位移、塑性區對比分析結果，薄至中厚礦體的最佳采場長度L薄至中厚應控制在40 m以下，最大L薄至中厚=40 m為宜。

4 采場結構參數優化驗證

根據首采段采場進路的實際情況與經驗，結合數值模擬計算結果，對0 m中段薄至中厚礦體的采場進路參數進行了調整，即薄礦體一次采全厚，中厚礦體由原6 m設計采幅調整為4 m，進路高度控制在3.5～3.7 m，采準布置由原50 m調整為40 m，接頂率不理想時，相鄰回采進路適當留設間柱。

經0 m中段15 m分段首采盤區2至6號回采進路的試驗表明，在不大于4 m的采幅條件下，6～10 m厚度的礦體順序回采兩條進路，10～15 m中厚礦體采用“隔一采一”回采順序，臨上盤回采進路采用錨網噴支護上盤，回采進路在整個采礦周期保持了穩定，驗證了上述采場結構參數的合理性。

5 結論

根據杜達鉛鋅礦礦巖條件建立數值模擬，通過不同采場長度、采場寬度參數進行模擬分析，獲得采場優化結構參數，經工程驗證達到了預期效果，研究結論如下。

（1）杜達鉛鋅礦薄至中厚礦體的最佳采場寬度應控制在6 m以下，取4 m較為適宜；薄至中厚礦體最佳采場長度應控制在50 m以下，取40 m為宜。

（2）杜達鉛鋅礦0 m中段15 m分段將采礦進路結構參數調整為采幅4 m，高度控制為3.5～3.7 m，回采進路由采場聯絡巷向兩側推進，總長度控制在40 m內，采場進路保持穩定。