紅嶺鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

張建偉 趙江波 姚景亮

收稿日期：2023-12-06； 修回日期：2024-02-18

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51974043）

作者簡介：張建偉（1980—），男，工程師，從事金屬礦充填開采相關(guān)研究工作；E-mail：1009589285@qq.com

摘要：為確定紅嶺鉛鋅礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法的合理采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用數(shù)值模擬的方式對頂板厚度分別為3 m、5 m、7 m和10 m，采場長度分別為20 m、30 m、40 m和60 m的16種工況進行了研究，對比了頂板厚度為3 m情況下各工況的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布。結(jié)果表明：紅嶺鉛鋅礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法采場頂板厚度3 m，采場長度35 m時，采場穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞：分段鑿巖；階段空場嗣后充填；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；頂板厚度；采場長度；采區(qū)穩(wěn)定性

中圖分類號：TD853.34????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0006-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240602

引? 言

隨著人類社會不斷發(fā)展，人們對礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，采礦活動逐漸由淺部走向深部［1-3］；在建設(shè)綠色礦山、推動綠色發(fā)展的背景下，充填采礦法以充填體支撐頂板、回收利用礦山固體廢物等優(yōu)點逐漸成為硬巖礦山地下開采的首選方式［3-6］。

赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責任公司（下稱“紅嶺鉛鋅礦”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴林左旗烏蘭達壩蘇木。紅嶺鉛鋅礦床是以鉛、鋅為主的矽卡巖型多金屬礦床，產(chǎn)于燕山晚期花崗巖與二迭系大石寨組地層的外接觸帶上，出露地層有上古生界二迭系大石寨組、中生界侏羅系滿克頭顎博組及新生界第四系松散沉積物。該區(qū)域內(nèi)構(gòu)造交錯復(fù)雜，圍巖較為破碎，955～855 m采場留有大量礦柱，下部中段礦體沒有開采，導(dǎo)致大量礦體積壓，且該區(qū)域內(nèi)礦體距離地表高差僅有150 m左右，礦體埋深較淺，礦體開采易造成上盤圍巖不穩(wěn)固。

對于紅嶺鉛鋅礦南西翼礦區(qū)955～855 m采場，擬采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法進行開采，在前人研究的基礎(chǔ)上［7-11］，采用有限元法分析不同工況下采場及圍巖的穩(wěn)定性，結(jié)合數(shù)值模擬的方式，應(yīng)用基于樣本點構(gòu)造方法的先進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對采場主要參數(shù)進行選擇，在確保回采安全、保證最大生產(chǎn)效率，為礦山創(chuàng)造最大經(jīng)濟效益的前提下，確定最優(yōu)的頂板厚度和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

ABAQUS作為通用的模擬工具，除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以在非線性分析中，自動選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度，通過準確的定義參數(shù)能夠很好地控制數(shù)值計算結(jié)果，保證分析過程中能夠得到有效的精確解，為紅嶺鉛鋅礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)研究提供了強有力的計算工具。

1? 數(shù)值模擬材料及參數(shù)

1.1? 計算模型

紅嶺鉛鋅礦分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法標準方案如圖1所示。分礦房、礦柱進行回采，開采時先采礦柱再采礦房。根據(jù)紅嶺鉛鋅礦現(xiàn)場情況，分別對頂板厚度為3 m、5 m、7 m和10 m，采場長度為20 m、30 m、40 m和60 m的16種工況進行模擬，計算工況如表1所示，其三維模型如圖2所示。

1.2? 材料模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場巖體力學調(diào)查及充填報告中實驗室測試結(jié)果，折減后圍巖、礦體及廢石充填體的物理力學參數(shù)如表2所示。

2? 開采模擬及結(jié)果

2.1? 采場圍巖應(yīng)力

從已有的力學參數(shù)及巖體質(zhì)量調(diào)查來看，上盤圍巖力學性能低于下盤圍巖，且礦體呈70°左右傾斜，因此礦體上盤的圍巖更易表現(xiàn)出不穩(wěn)定。由于巖石為脆性材料，一般采用第一主應(yīng)力破壞強度理論，通過上盤的最大主應(yīng)力圖可以看出拉應(yīng)力比較大的區(qū)域，在主應(yīng)力最大值附近設(shè)置觀察點，對比觀察點處的拉應(yīng)力值與巖體抗拉強度分析可能出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞的區(qū)域。

本文針對頂板厚度為3 m時的采場（工況1、工況5、工況9、工況13）進行分析，通過有限元分析法來研究采場及上盤圍巖的穩(wěn)定性，不同采場長度情況下的最大主應(yīng)力剖面圖如圖3所示。

2024年第6期/第45卷? 礦業(yè)工程礦業(yè)工程? 黃? 金

分析不同情況下最大主應(yīng)力剖面圖：在工況1中，采場及其上盤圍巖最大主拉應(yīng)力超過巖體抗拉強度的區(qū)域在垂直方向上呈點狀分布；在工況5中，采場及其上盤圍巖最大主拉應(yīng)力大于巖體抗拉強度的區(qū)域在水平方向和垂直方向上均存在，分別呈線性分布；在工況9中，采場上盤圍巖最大主拉應(yīng)力超過巖體抗拉強度的區(qū)域幾乎貫通，且呈片狀分布；在工況13中，采場上盤圍巖最大主拉應(yīng)力超過巖體抗拉強度的區(qū)域已經(jīng)貫通，且呈扇形分布。在輸出結(jié)果中繼續(xù)選取如圖4所示的觀察路徑。

對比觀察路徑上各節(jié)點的應(yīng)力狀況，查看當頂板厚度為3 m時，在不同采場長度情況下各點處的拉應(yīng)力值，將結(jié)果與巖體的抗拉強度對比。觀察路徑1，2上相應(yīng)觀察點最大主應(yīng)力與觀察點沿路徑距離的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

工況1中：垂直采場長度方向上，采場及其上盤圍巖有26 m范圍內(nèi)的巖體處于拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。其中，距采場底面9.67～12.79 m的巖體拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強度，該區(qū)域內(nèi)巖體受拉破壞。沿采場長度方向上，分別在沿采場長度1/3和2/3處有最大拉應(yīng)力，值為1.16 MPa。

工況5中：垂直采場長度方向上，采場及其上盤圍巖有24 m范圍內(nèi)的巖體處于拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。其中，距采場底面9.66～12.98 m的巖體拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強度，該區(qū)域內(nèi)巖體受拉破壞。沿采場長度方向上，分別在沿采場長度7/25和18/25處有最大拉應(yīng)力，值為0.87 MPa。

工況9中：垂直采場長度方向上，采場及其上盤圍巖有23 m范圍內(nèi)的巖體處于拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。其中，距采場底面10.41～13.74 m的巖體拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強度，該區(qū)域內(nèi)巖體受拉破壞。沿采場長度方向上，分別在沿采場長度1/5和4/5處有最大拉應(yīng)力，值為0.71 MPa。

工況13中：垂直采場長度方向上，采場及其上盤圍巖有25.5 m范圍內(nèi)的巖體處于拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。其中，距采場底面7.30～10.63 m的巖體拉應(yīng)力大于巖體的抗拉強度，該區(qū)域內(nèi)巖體受拉破壞。沿采場長度方向上，分別在沿采場長度3/40和37/40處有最大拉應(yīng)力，值為1.12 MPa。采場邊緣位置豎直方向的應(yīng)力狀態(tài)如表3所示。

從以上幾點可以看出，不同長度的采場及其上盤圍巖都會在距采場底面10 m左右產(chǎn)生受拉破壞，因此在開采該部分區(qū)域時應(yīng)該注意加強支護，保證安全。

2.2? 采場圍巖位移

數(shù)值計算中，將不產(chǎn)生塑性貫通區(qū)的頂板厚度定為各采場的安全厚度，不同頂板厚度下采場上盤圍巖最大位移如圖7所示。由圖7可知：隨采場長度增大，圍巖的位移逐漸增大，采場長度為20～40 m時，其上盤圍巖最大位移相差不到10 mm，而采場長度為60 m時，其上盤圍巖最大位移可達52.74 mm；不同頂板厚度對于采場上盤圍巖的位移幾乎沒有影響。因此，考慮到礦山經(jīng)濟效益，建議紅嶺鉛鋅礦南西翼礦區(qū)頂板厚度為3 m。

2.3? 采場圍巖塑性區(qū)變化

ABAQUS有限元分析時，判斷產(chǎn)生破壞的標準之一是產(chǎn)生塑性區(qū)的貫通。沿采場長度方向，拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū)的應(yīng)力值都接近或大于巖體的抗拉強度，對比采場上盤圍巖的塑性區(qū)發(fā)展圖（如圖8所示），將采場上盤圍巖從中間剖開，觀察圍巖內(nèi)部的塑性區(qū)發(fā)展。

工況1中，采場及其上盤圍巖屈服區(qū)呈點狀及線狀分布，但上下兩屈服區(qū)未形成貫通；工況2中，采場及其上盤圍巖屈服區(qū)呈線狀分布；工況3中，采場及其上盤圍巖在垂直方向上屈服區(qū)仍呈線狀分布，且面積進一步擴大；工況4中，采場及其上盤圍巖屈服區(qū)相連成片，這些區(qū)域表明巖石由于本身的性質(zhì)或外部因素的影響而產(chǎn)生了破壞，該現(xiàn)象表明，該區(qū)域存在著一定的不穩(wěn)定性。同時，可以觀察到，在不同采場長度下，其上盤圍巖的塑性貫通區(qū)與底部可能產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞的區(qū)域完全一致。因此，在頂板厚度3 m的情況下進行開采時，采場底部區(qū)域也會產(chǎn)生沿采場長度方向的破壞。

分析不同工況的頂板塑性區(qū)發(fā)展情況，結(jié)果如表4所示。

其中，采場長度為30 m及40 m時，破壞向內(nèi)部延伸的最小，且二者破壞程度相近。因此，選取30 m或40 m的采場長度是合理的，考慮到開采效率，建議紅嶺鉛鋅礦南西翼礦區(qū)采場長度為35 m。

3? 結(jié)? 論

1） 采場長度為20～60 m時，采場及上盤圍巖最大主拉應(yīng)力值接近或超過巖體抗拉應(yīng)力的區(qū)域均位于距采場底面10 m左右的區(qū)域內(nèi)。

2） 隨采場長度增大，圍巖的位移逐漸增大，采場長度為20～40 m時，采場及其上盤圍巖最大位移相差不到10 mm，不同頂板厚度對于采場上盤圍巖的位移幾乎沒有影響。

3） 采場長度為30 m及40 m時，破壞向內(nèi)部延伸的最小，且二者破壞程度相近。

綜上所述，紅嶺鉛鋅礦南西翼礦區(qū)采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法的采場建議頂板厚度為3 m，采場長度為35 m，同時在開采距采場底面10 m左右的區(qū)域時應(yīng)加強支護，保證作業(yè)安全。

［參 考 文 獻］

［1］? PENG K，LIU Z M，ZHANG Y L，et al.Determination of isolation layer thickness for undersea mine based on differential cubature solution to irregular Mindlin plate［J］.Journal of Central South University，2017，24（3）：708-719.

［2］? 彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇［J］.中南大學學報（自然科學版），2011，42（8）：2 417-2 422.

［3］? 古德生，李夕兵.有色金屬深井采礦研究現(xiàn)狀與科學前沿［C］∥中國有色金屬學會.中國有色金屬學會第5屆學術(shù)年會論文集.北京：中國有色金屬學會，2003：1-5.

［4］? 周逸文，張濤，段隆臣，等.我國礦山采空區(qū)綜合治理研究綜述［J］.安全與環(huán)境工程，2022，29（4）：220-230.

［5］? 侯俊.某礦山浮選尾礦充填材料特性試驗研究［J］.黃金，2023，44（8）：26-29，34.

［6］? 梅世洲.充填采礦工藝特點及發(fā)展趨勢分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2016，32（3）：253-254.

［7］? 余昕，周家祥，宋衛(wèi)東，等.分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦工藝及爆破設(shè)計［J］.金屬礦山，2018（8）：7-12.

［8］? 汪海萍，宋衛(wèi)東，張興才，等.大冶鐵礦分段鑿巖階段空場嗣后膠結(jié)充填法工程實踐［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（5）：26-29.

［9］? 孟慶學，宋德林，李朝民.中深孔階段礦房采礦法在急傾斜薄礦體中的應(yīng)用［J］.黃金，2022，43（3）：36-39.

［10］? 楊春城.某礦分段采場上盤圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用［J］.金屬礦山，2019（4）：20-25.

［11］? 楊春城.某礦分段充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2019，39（4）：1-5.

Study on the optimization of stope structural parameters of Hongling Lead-Zinc Mine

Zhang Jianwei，Zhao Jiangbo，Yao Jingliang

（Chifeng Shanjin Hongling Nonferrous Mining Co.，Ltd.）

Abstract：To determine the reasonable stope structural parameters for the sublevel drilling stage open stope and subsequent filling mining method in Hongling Lead-Zinc Mine，numerical simulation was employed to study 16 different scenarios with roof thicknesses of 3 m，5 m，7 m，and 10 m，and stope lengths of 20 m，30 m，40 m，and 60 m，respectively.The stress，displacement，and plastic zone distribution of each scenario with a roof thickness of 3 m were compared.The results indicate that the stability of the stope in Hongling Lead-Zinc Mine is fairly good when the roof thickness is 3 m and the stope length is 35 m for the sublevel drilling stage open stope and subsequent filling mining method.

Keywords：sublevel drilling;stage open stope and subsequent filling mining;stope structural parameters;roof thickness;stope length;mining area stability