丹銀金礦采場落礦距離的優化

藺 甲 趙維浩 張鳳鵬

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗，遼寧 沈陽 110819;2.丹東丹銀礦冶有限責任公司，遼寧 丹東 118107)

丹銀金礦采場落礦距離的優化

藺 甲1趙維浩2張鳳鵬1

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗，遼寧 沈陽 110819;2.丹東丹銀礦冶有限責任公司，遼寧 丹東 118107)

在全面法中，頂板的穩固性很關鍵，直接影響到回采作業能否順利進行。根據丹銀金礦Ⅱ號脈2608采場頂板不穩固的實際情況建立模型，對采場落礦距離進行優化，確定了合理的推進距離既能夠保證回采工作的順利進行，又使回采的效率得到提高。利用FLAC3D建立礦房模型,先開挖切割上山，然后沿著礦脈推進。對一次推進2,3,4 m時頂板的受力情況進行分析，得到采場應力分布情況以及應力集中區域，得到一次推進3 m是最優的落礦距離。研究的結果對礦山的實際生產提供了科學依據。

全面采礦法 FLAC3D數值模擬 開挖

全面采礦法適用于緩傾斜礦體，并且礦巖較穩固的情況下。回采工作從切割上山開始，然后由礦體的一側沿著礦房推進[1]。由于地質構造的變化，當上盤圍巖節理發育時，頂板的穩固性降低，會造成頂板的冒落，對回采工作造成安全隱患[2-5]。回采過程中，鑿巖出礦都在暴露的頂板下，需要頂板的穩固，確定頂板的暴露面積很重要。由切割上山開始推進，由于上盤圍巖的穩固性的不同，一次爆破的礦石會有不同。若一次推進的距離過大，頂板的暴露面積增大，會造成頂板大面積的冒落[6-8]；若一次推進距離過小，則生產效率低，影響生產。結合丹銀金礦II號脈2608采場的具體情況，建立數值模型，利用有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬，對不同暴露面積下頂板的情況進行分析，確定了合理的推進距離。

1 工程概況

丹銀金礦是在丹銀公司井田外圍探明的一座大型金礦床。丹銀灣地溝區已成為丹銀公司主采區，現已開拓4個中段，每個中段高30 m。其中20 m中段、-10 m中段已完成開拓和生產探礦工作，正處于回采階段，-40 m中段和-70 m中段正在進行開拓和生產探礦。本研究以20 m中段II號脈2608采場的落礦參數進行優化設計。II號脈礦體主要為蝕變片巖及上盤與之接觸的蝕變大理巖，蝕變片巖礦體為灰黑色、中細粒結構、塊狀構造。蝕變大理巖礦體為灰白色、中細粒結構、塊狀、角粒結構，礦體礦化不均。礦體下盤為石榴石云母片巖，上盤為白云石大理巖，與礦體為漸變過度關系，沒有明顯分界，上盤巖石節理發育，礦體在東部逐漸尖滅。礦體傾角25°～30°，水平厚度8～20 m。根據礦體的賦存條件，采用全面采礦法進行回采。由于上盤圍巖巖石節理發育，在沿著礦體走向推進時，頂板的巖石會有冒落，對采場施工安全造成威脅。若一次推進距離過大，會造成頂板冒落，影響回采的順利進行；若推進距離過小，會使生產效率較低，影響正常的回采，確定合理的推進距離很重要。圖1是2608礦房的投影圖，2608-12沿是回采過程中開挖的切割上山。

圖1 2608礦房結構投影

2 數值模型建立

圖2為本次模擬根據2號礦脈的情況建立的簡化三維模型。在綜合考慮礦山地質的基礎上，選取2608礦房作為數值模擬實驗點。利用ANSYS建立各個部分的模型：上下盤、礦體以及間柱的模型。導入到FLAC3D中，最終整個模型長寬高為30 m×20 m×20 m。建立的模型共有80 104個單元，有16 184個節點。其中礦體按照平均厚度6 m。兩側間柱取5 m。模型采用線彈性本構模型，屈服準則采用摩爾庫倫準則。模型的邊界約束條件為對前后左右面水平位移約束；底面采用固定約束，水平和垂直位移均為零；在頂面不約束，考慮到埋深，頂面受到上部巖土的重力作用，施加載荷11 MPa。埋深較淺并且在礦區內構造應力不明顯，未考慮水平應力的影響，初始的應力場只考慮由于重力產生的應力場。

圖2 三維模型

通過現場的取樣測量以及根據國內相似礦山的測量數據，本次數值模擬采用折減后的參數見表1。根據折減后的參數，先對模型進行初始平衡計算，然后再對礦體進行開挖模擬。

表1 礦巖物理力學參數

3 模擬過程及結果分析

3.1 開挖切割上山

初始平衡后，首先開挖切割上山。對礦塊進行回采工作，首先在礦房的一側切割1條切割上山，然后以此切割上山沿著礦體走向推進。在模擬中，開挖的切割上山寬3 m。圖3為開挖切割上山后塑性區的模擬結果，可以看出在切割上山的頂板和兩側有少量的剪切破壞，但是不會造成巖石的冒落。

圖3 開挖上山后模型塑性區

圖4為最大主應力云圖，可以看到：由于開挖，造成應力的重分布，在頂板和底板上巖石受到拉應力，應力相對較大，在頂板和底板上最大主應力達到了1.62 MPa，小于圍巖的最大拉伸強度。

圖4 開挖上山后最大主應力云圖

圖5為σy云圖，可以看到在上山的肩部有少量的應力集中，最大的壓應力達到20.7 MPa。在頂底板上，仍受到壓應力的作用，在頂板中間位置的壓應力最小達到0.14 MPa。說明切割上山的開挖不會造成頂板的受拉而破壞。

通過最大主應力和σy的應力分析得到，由于開挖切割上山，造成應力的重新分布，在切割上山的頂底板以及側壁處，應力有集中現象，應力大小未超過礦巖的最大強度，不會造成巖石的破壞。結合模擬的單元的狀態，只有少量的剪切受損。在實際情況中，開挖切割上山后，頂板未出現冒落，側壁也沒有出現破壞，與模擬的結果相吻合，可知模擬的結果與實際情況一致。

圖5 開挖上山后σy云圖

3.2 不同開挖方案模擬分析

切割上山開挖以后，沿著礦體走向進行推進。礦山以往的經驗一次推進的距離在2 m左右。根據現場的經驗以及相似礦山的對比，本次模擬選取一次推進的距離有3種方案：2、3、4 m。下面通過每種方案模擬結果進行分析。

(1)方案一：開挖2 m。從切割上山開始，沿著礦體推進2 m，模擬結果如圖6～圖8所示。從圖6中單元的結構狀態可以看到，在頂板和底板以及側壁上均出現了剪切形式的單元體。在頂板中間位置出現了少量的拉伸破壞，不會有太多的巖石冒落。在實際的回采過程中，對頂板進行挑頂工作可以進行之后的回采作業。通過圖7分析看到，在頂板中間位置出現了拉應力，其中最大的拉應力1.25 MPa。在拐角處出現了應力集中現象，其中在左上角以及側下部出現最大壓應力為24.5 MPa。對于礦巖的影響不大，均未超過礦巖的最大強度。在軟弱結構面處會出現少量的破壞。通過圖8可以看到，在整個頂板處應力較大，應力達到1 MPa左右。綜上可以看到，開挖2 m能夠保證礦巖的穩定，只有在頂板中間處有很少量巖石破損。根據經驗需要對頂板進行簡單的挑頂工作，能夠使接下來的回采工作順利進行。

圖6 開挖2 m塑性區

(2)方案二：開挖3 m。一次開挖3 m后，模擬結果如圖9～圖11所示。在圖9中可以看到在頂板中間位置出現了少量拉伸破壞的單元，整個頂板出現了

圖7 開挖2 m σy云圖

圖8 開挖2 m最大主應力云圖

圖9 開挖3 m塑性區

圖10 開挖3 m σy云圖

圖11 開挖3 m最大主應力云圖

剪切破壞單元。在頂板右上側的剪切破壞單元向上延伸，比開挖2 m時少量增加。通過對比在切割上山開挖的結構可知，僅會在頂板拉伸破壞處有少量的冒落，而大部分受剪切破壞的單元不會出現大面積的垮塌。在圖10看到，在頂板中間位置出現了拉伸應力集中，其中最大拉應力達到2.35 MPa，未達到頂板的最大抗拉強度2.84 MPa。在側壁右上方出現了壓應力的集中，最大壓應力26.4 MPa，也低于巖石的抗壓強度。最大主應力如圖所示，可以看到在底板處出現了最大的應力集中為3.13 MPa。在頂板處的最大拉應力也在1～2 MPa左右，但是相比于開挖2 m時候，整個頂板的拉應力都達到1～2 MPa左右。通過圖11以及塑性區云圖可以看出，開挖3 m，整個頂板相比于開挖2 m時應力增大了1 MPa左右。頂板出現拉伸破壞和剪切破壞的單元增加，但仍處于可以控制范圍之內。根據經驗分析不會有太多的巖石冒落，但開挖之后需要處理頂板的浮石。通過模擬結果可知，當開挖3 m時，需要對頂板挑頂處理，待其穩定后即可進行回采的后續作業。

(3)方案三：開挖4 m。一次開挖4 m后，計算的模擬結果如圖12～圖14所示。在圖12中可以看到，頂板中間位置拉伸破壞的單元增加且范圍向上延伸，靠近頂板的兩層單元都發生破壞。因而在實際情況中，此處頂板很可能發生冒頂。在頂板兩側，剪切破壞的單元增加較多，斜向上延伸。在圖13中，可以看到在頂板中間位置出現的最大拉應力已經達到3.07 MPa，已經超過頂板抗拉強度2.84 MPa。頂板已經受到破壞，有較大的冒頂可能。在側壁應力集中的區域，其中最大的壓應力達到了32 MPa，比開挖3 m時增加了7 MPa。在圖14上，底板應最大達到3.2 MPa。整個頂板的應力都在2 MPa左右，礦巖處于較大的應力狀態，會對巖石造成損傷。通過結果看出，開挖4 m頂板中部造成了較多的拉伸破壞，最大應力已經超過上盤巖石的最大強度，頂板會有較多的巖石冒落，頂板不穩固，會對后續的回采作業造成影響。所以開挖4 m時，不能保證頂板的穩固，會影響到回采工作的順利進行。

圖12 開挖4 m塑性區

圖13 開挖4 mσy云圖

3.3 最優方案

圖14 開挖4 m最大主應力云圖

根據3個不同的開挖方案繪制的應力變化曲線見圖15、圖16。隨著開挖距離的增加，最大主應力以及頂板σy都逐漸增大。一次推進2 和3 m，對頂板進行簡單的處理后都能保證頂板的穩固，使回采工作順利進行。推進4 m時，頂板應力超過巖石的最大抗拉強度，會使頂板破壞巖石冒落較多，不能確保回采工作的安全性。當開挖4 m時頂板的最大拉應力已經超過巖石的抗拉強度。在側壁上的最大壓應力也逐漸增大，但均未超過巖石的強度。所以選取的最優方案是一次推進3 m。既能保證回采工作的順利進行，又使回采的效率達到最高。

圖15 最大主應力與開挖距離的關系曲線

圖16 σy與開挖距離的關系曲線

4 結 論

(1)3個方案的數值模擬得到，隨著推進距離的增大，頂板中部的拉應力逐漸增大。側壁拐角應力集中程度增加，最大壓應力隨著開挖距離增大而增大，符合礦山的實際情況。

(2)一次開挖3 m頂板中間有少量巖石冒落，整體比較穩固。對頂板進行挑頂工作待頂板穩固后即可以進行后續回采。能保證頂板的穩固，安全高效的回采礦石，使回采效率得到提高，對礦山安全生產提供了指導。

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(責任編輯 石海林)

Optimization of Ore Caving Distance in Mining Stope of Danyin Gold Mine

Lin Jia1Zhao Weihao2Zhang Fengpeng1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China; 2.DandongDanyinMiningCo.，Ltd.，Dandong118107，China)

In overall mining methods，the stability of the roof is very important，which can directly affect the mining operation proceed.Based on the actual situation of No.2608 mining stope in Danyin gold mine，the ore caving distance at the mining stope is optimized.A proper caving distance can guarantee mining work processed smoothly，and also improves the mining efficiency.FLAC3Dis adopted to establish the model of the mining room.The raise tunneling is carried out firstly，and then moved along with the ore vein，The stresses of roof at 2 m,3 m,4 m，are analyzed to get the stress distribution and stress concentration area.It is concluded that 3m is the best distance of ore caving.The research result provides a scientific basis to the actual production of the mine.

Overall mining method，FLAC3D，Numerical simulation，Excavation

2014-05-24

藺 甲 (1990—)，男，碩士研究生。

TD853.33

A

1001-1250(2014)-08-024-05