急傾斜厚大礦體采礦方法的選擇研究

楊東奕

摘要：云南怒江瀘水外巖房錫鎢礦在生產(chǎn)中對(duì)于急傾斜厚大礦體，計(jì)劃采用分段鑿巖階段出礦分段空?qǐng)霾傻V法進(jìn)行開采。運(yùn)用FLAC3D計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該礦山開采過程中采場(chǎng)頂?shù)装澹g柱的應(yīng)力以及塑性區(qū)等特征的變化進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：隨著回采工作的結(jié)束，采場(chǎng)頂?shù)装澹g柱將出現(xiàn)明顯的壓剪、拉和拉剪等多種破壞，若采用上述空?qǐng)鲱惒傻V方法將對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成較大安全隱患。結(jié)合礦山實(shí)際情況，重新設(shè)計(jì)采用有底柱分段崩落法進(jìn)行回采，為礦山安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

Abstract： In order to exploit a large and thick inclined tin-tungsten ore in Yunnan， sub-level caving open stoping method is designed to be into implementation. FLAC3D computer numerical simulation technology is applied to analyze the stress and plastic zones of the pillar， roof and floor， indicating that shear-n， tension-n and shear&tension-n failure will occur at the end of excavation. A sub-level caving mining method is redesigned to avoid the potential safety hazard when previous mining method being into implementation， providing theoretical basis and technical support for the safety in production of the mining enterprise.

關(guān)鍵詞：急傾斜厚大礦體；FLAC3D；采礦方法；礦山安全

Key words： large and thick inclined ore；FLAC3D；mining method；mining safety

中圖分類號(hào)：TD853 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0133-03

0 引言

眾所周知，急傾斜厚大礦體的開采工作一直是國(guó)內(nèi)外礦山生產(chǎn)工作中的一項(xiàng)技術(shù)難題。從近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)急傾斜厚大礦體開采的設(shè)計(jì)，實(shí)踐和理論研究工作來看，對(duì)這一類礦體的開采工作主要存在的問題是：

①施工人員在采場(chǎng)內(nèi)工作環(huán)境差，人員安全保障程度低，特別是在采用空?qǐng)鲱惒傻V法開采急傾斜厚大礦體時(shí)，鑿巖，爆破，支護(hù)，礦石運(yùn)搬等一系列生產(chǎn)工作都將在大面積暴露的頂板下進(jìn)行，而由于空區(qū)高度大，對(duì)于頂板安全性的監(jiān)測(cè)和管理難度也隨之增大。因此，作業(yè)環(huán)境差、安全程度低是困擾從事礦山生產(chǎn)人員的一個(gè)難以解決的問題。

②采場(chǎng)尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)難以控制，特別是采場(chǎng)跨度和頂?shù)字叽绲拇笮　Ｓ捎诘V體厚大，導(dǎo)致頂板的暴露面積也隨之變大，為保證采場(chǎng)以及中段運(yùn)輸巷道等地下構(gòu)筑物的安全，必須擴(kuò)大頂?shù)字约伴g柱的厚度，這就直接導(dǎo)致了礦石的損失。因此在地表不允許塌陷的情況下，對(duì)于急傾斜后大礦體的開采問題，目前已有許多礦山采取空?qǐng)鏊煤蟪涮畹牟傻V方法，而就目前采礦工程的發(fā)展現(xiàn)狀和采礦工藝水平而言，充填類采礦法所涉及的采礦成本以及充填系統(tǒng)的建立等問題都沒有得到較為成熟有效的解決。因此，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定以及開采的經(jīng)濟(jì)效益也是開采急傾斜厚大礦體的難題之一。

綜上所述，開采急傾斜厚大礦體存在作業(yè)環(huán)境差、安全程度低、頂板管理難度大和采場(chǎng)生產(chǎn)能力低等問題。云南怒江瀘水外巖房錫鎢礦在開采急傾斜厚大礦體時(shí)采用分段鑿巖階段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行生產(chǎn)，由于頂板暴露面積較大，出現(xiàn)采場(chǎng)頂板局部失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象。本文依托怒江州瀘水縣石缸河鎢錫礦深部礦體采礦方法及結(jié)構(gòu)參數(shù)課題研究課題項(xiàng)目，結(jié)合實(shí)際為例，利用FLAC3D計(jì)算機(jī)建模技術(shù)對(duì)此類礦體的開采方法選擇與設(shè)計(jì)的研究進(jìn)行闡述。

1 工程概況

云南某礦山位于怒江州六庫縣南東50°方向，距六庫平距18km。礦山通過招商引資方式引進(jìn)江西稀有稀土金屬鎢業(yè)集團(tuán)有限公司來共同開發(fā)礦區(qū)的礦產(chǎn)資源。企業(yè)整合后礦山分為五杈樹礦段、石缸河礦段西部礦、石缸河礦段東部礦以及巖房礦段。其中石缸河西部礦段礦石儲(chǔ)量229.46萬t，其中2126-2226中段礦石儲(chǔ)量258740t，礦體傾向70°，平均傾角65°，平均厚度45m。礦體及其頂、底板巖性組合形態(tài)較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造中等，礦層頂板為較硬層狀結(jié)構(gòu)砂板巖，產(chǎn)狀較陡，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性中等。

2 原有采礦方法簡(jiǎn)介

經(jīng)過多方案對(duì)比論證，礦山初步設(shè)計(jì)中決定采用分段鑿巖階段空?qǐng)龇▽?duì)礦石進(jìn)行回采，其礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)：礦塊沿礦體走向連續(xù)布置，沿走向長(zhǎng)50m，礦塊高度與中段高一致，礦房長(zhǎng)44m，礦房寬為礦體厚，間柱寬6m，底柱高10m，分段高10m。如圖1所示。

3 采場(chǎng)穩(wěn)定性模型分析

由于該礦段礦體厚大屬極厚礦體[1]且礦石圍巖巖性組合形態(tài)復(fù)雜，采用空?qǐng)鲱惒傻V方法對(duì)礦石進(jìn)行回采具有較大的難度，甚至可能由于菜場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不合理以及空區(qū)處理的不當(dāng)導(dǎo)致采空區(qū)發(fā)生破壞，影響回采工作順利進(jìn)行甚至危害井下人員的生命安全。在礦山試生產(chǎn)前對(duì)采礦方法進(jìn)行進(jìn)一步可行性驗(yàn)證，通過運(yùn)用FLAC3D計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件建立模型對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析從而為礦山安全生產(chǎn)提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)是十分必要的。

3.1 建立模型

根據(jù)礦山石缸河礦段29#剖面圖所反映的地形地貌以及礦體賦存條件情況，建立FLAC3D計(jì)算機(jī)三維模型。模型尺寸：336m×374m×382m，即X方向（垂直礦體走向）336m；Y方向（沿礦體走向）374m；Z方向（鉛垂方向）382m。模型X，Y方向均對(duì)邊界進(jìn)行約束；Z方向?qū)ψ钚?biāo)高即底部進(jìn)行約束。模型中垂直應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，水平應(yīng)力由于礦山未進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測(cè)，因此根據(jù)計(jì)算所得的側(cè)壓力系數(shù)λ對(duì)水平應(yīng)力進(jìn)行賦值。對(duì)模型進(jìn)行劃分后共有33440個(gè)單元，36900個(gè)節(jié)點(diǎn)，在對(duì)該模型進(jìn)行分析時(shí)采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。模型所反映礦區(qū)圍巖為：∈3h1-4（寒武系上統(tǒng)核桃坪組綠灰色鈣質(zhì)板巖）以及∈3h1-3（寒武系上統(tǒng)核桃坪組粉砂質(zhì)板巖），在模型中命名為圍巖1和圍巖2以便區(qū)分。此次分析著重于空?qǐng)霾傻V法運(yùn)用于礦山厚大礦體時(shí)采空區(qū)的穩(wěn)定性，因此建立了上下相鄰的四個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與初步設(shè)計(jì)中選定的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一致：礦房長(zhǎng)44m，底柱高10m，間柱寬6m。最終所建立的整體計(jì)算模型和采場(chǎng)模型如圖2所示，各礦巖體的物理力學(xué)參數(shù)列于表1。

3.2 模型計(jì)算

本次計(jì)算機(jī)建模計(jì)算主要分析空區(qū)頂?shù)装逡约伴g柱的應(yīng)力以及塑性區(qū)分布情況，因此在模型建立之后分兩步開挖形成上下兩個(gè)中段相鄰的采空區(qū)。在空區(qū)形成后在對(duì)模型的應(yīng)力以及塑性區(qū)情況分別進(jìn)行分析。其中應(yīng)力情況為：在開挖一步完成后，2210中段采場(chǎng)頂板和間柱承受最大和最小應(yīng)力分別為0.1067MPa和0.024227MPa；開挖二步完成后，2210，2226中段采場(chǎng)頂?shù)装搴烷g柱承受最大和最小主應(yīng)力分別為0.27826MPa和0.26355MPa。塑性區(qū)分布情況顯示：在一步開挖后在2226中段頂板和間柱都出現(xiàn)了明顯的壓剪、拉和拉剪等多種破壞形式，而當(dāng)二步開挖后，2126和2226中段的頂?shù)字约伴g柱發(fā)生更明顯的破壞。計(jì)算結(jié)果如圖3至圖4所示。

4 礦山厚大開采建議

由計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析的結(jié)果可知，在開采極厚大礦體時(shí)，由于空區(qū)面積較大以及圍巖巖性組合較為復(fù)雜等因素的影響，采用初步設(shè)計(jì)中的空?qǐng)鲱惒傻V方法在礦山生產(chǎn)的安全性方面存在著一定的隱患，若對(duì)采場(chǎng)參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，則將會(huì)提高礦石的貧化損失率甚至要隨之調(diào)整礦山開拓系統(tǒng)等主控工程布置，這將會(huì)對(duì)礦山的生產(chǎn)進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接影響。

結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際和2126-2226中段礦體賦存情況以及國(guó)內(nèi)外相似礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，建議采用有底柱分段崩落法對(duì)該礦體進(jìn)行回采。結(jié)合礦山已形成的開拓工程實(shí)際情況以及現(xiàn)有設(shè)備型號(hào)，設(shè)計(jì)推薦采用的采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)：采場(chǎng)沿礦體走向布置，中段高度40m，分段高度12m/6m，底部結(jié)構(gòu)高8m，漏斗間距7.5m，如圖5所示。

5 結(jié)論

①運(yùn)用FLAC3D計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)分析并解決礦山實(shí)際生產(chǎn)問題，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

②根據(jù)計(jì)算機(jī)建模分析結(jié)果表明：開采2126-2226中段礦體時(shí)采用初步設(shè)計(jì)中空?qǐng)鲱惒傻V方法具有較大安全隱患。重新設(shè)計(jì)的有底柱分段崩落法開采完畢之后崩落的巖石將充填并封閉采空區(qū)，釋放地壓從而消除了采空區(qū)對(duì)井下人員以及設(shè)備的安全隱患，解決了礦山地壓管理以及安全生產(chǎn)所面臨的問題。

③由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水平應(yīng)力數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)建模分析的精確程度受到影響，但不影響得出定性的結(jié)論。為今后計(jì)算機(jī)建模分析手段運(yùn)用于其他相似礦山生產(chǎn)實(shí)際問題提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]HE Manchao（何滿潮）. Present situation and prospect of rock mechanics in deep mining engineering[C]. The 8th national conference of rock mechanics and engineering（第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集）， Beijing： Science press， 2004，10：88-95 （in Chinese）.

[2]曹祥偉，蔡寅峰，郭忠林.采空區(qū)處理技術(shù)的分析研究[J].銅業(yè)工程，2005，22（3）：22-24.

[3]孫國(guó)權(quán)，李娟，胡杏保.基于FLAc3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2007（2）：29-32.

[4]張飛，劉德峰，王濱，菅玉榮，徐曉紅，張衡.LAC在采空區(qū)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].有色金屬（礦山部分），2013（9）：28-33.

[5] 魏曉明，李長(zhǎng)洪，張立新.急傾斜厚大礦體采礦方法的選擇[J].金屬礦山，2014（4）：31-34.

[6]GU Desheng（古德生）. Frontier domains of metal mine deep mining [EB/OL]. [2010-10]. http：//www.doc88.com /p-8886879394462. html.

[7]董峻嶺.鐵山礦山下開采對(duì)礦柱及空區(qū)穩(wěn)定影響分析[D].青島理工大學(xué)，2011（6）.