羊拉銅礦里農礦段采場回采順序優化研究

尹仕湘 牛向東 侯克鵬

(1.云南黃金礦業集團股份有限公司；2.云南亞融礦業科技有限公司；3.昆明理工大學)

采礦活動往往伴隨著礦區地應力的重新分布[1]。合理的回采順序可以改善圍巖應力分布，能使圍巖更好地適應新的應力條件，提高圍巖自穩能力[2-4]；同時，合理的回采順序能夠避免礦區形成應力集中區域，有效防止發生大規模突發性的地壓活動，保證采礦生產安全[5-7]。

近年來，針對采場回采順序優化，已有很多國內外學者進行了許多相關的研究工作。裴明松等[8]通過對程潮鐵礦聯合開采時回采順序的數值模擬優化，確定了地表沉降最小且施工組織容易的回采順序組合，充填法采用“中-左-右”回采順序，無底柱分段崩落法采用“左-右-中”回采順序。焦文宇等[9]通過對充填體下礦體回采順序數值模擬優化研究，根據計算結果，從應力、位移及塑性區3個方面對不同的方案進行了比較分析，確定從中間向兩翼的回采順序為最優。程崇強等[10]通過對紅透山銅礦深部采場回采順序的數值模擬及優化，分析6種不同方案回采過程中的應力、位移分布特征，確定由左至右、由下至上為最優回采順序。葉義成等[11]通過對緩傾斜多層礦床充填法開采圍巖變形及回采順序試驗研究，采用相似模擬試驗方法，研究前進式和后退式回采順序開采礦床的圍巖應變變化、巷道圍巖應變變化、地表沉降及演變規律，探討嗣后充填采礦法回采上橫山礦合理的順序為前進式最佳。

為改善羊拉銅礦里農礦段空場法開采過程中圍巖的應力分布以及提高圍巖的自穩能力，利用FLAC3D有限差分數值分析軟件對里農礦段高程和平面2個維度的回采順序進行數值模擬優化，以保證礦山開采安全。

1 工程概況

羊拉銅礦共有7個礦段，其中里農礦段為多層、緩傾斜-傾斜、中厚-厚礦體，沿走向和傾向上礦體的產狀和厚度變化很大，且厚大部分多靠近地表。針對礦體的不同產狀，采礦方法主要有底盤漏斗空場法、房柱法和全面法等。里農礦段礦體以硫化礦為主，礦體頂板巖性為大理巖，節理較發育，節理面以平直、平滑者為主，產狀與坡體表面近于一致，以平直、粗糙為特征，絕大多數節理由巖屑部分充填；礦體底板巖性為變質石英砂巖，節理發育，局部密集發育，巖石破碎，巖體完整性差。羊拉銅礦里農礦段在使用空場法開采過程中，留下大量的采空區，造成采場地壓顯現劇烈，井下巷道出現底鼓，頂、邊幫冒落等破壞情況。

2 礦巖物理力學參數

通過對羊拉銅礦里農礦段礦巖進行室內巖石力學試驗，同時考慮試件的尺寸效應、礦巖所處的力學環境等因素，基于Hoek-Brown強度準則對室內巖石物理力學參數進行處理，獲得數值模擬計算所需礦巖物理力學參數，見表1。

表1 羊拉銅礦里農礦段礦巖的巖體物理力學參數

3 數值模擬計算及分析

隨著計算機技術的發展，數值分析方法已成為解決巖石力學問題的一個重要手段。FLAC3D程序是由美國 Itasca咨詢集團公司在 FLAC的基礎上開發的三維數值分析軟件，能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，可在較小內存空間求解大范圍的三維問題。因此，基于FLAC3D數值模擬軟件的特點，對里農礦段在高程和平面2個維度方向的不同回采順序進行數值模擬計算。

3.1 計算模型

羊拉銅礦里農礦段計算模型見圖1。X正方向為正東方向，長1 400 m；模型Y正方向為正北方向，長2 200 m；模型Z正方向為豎直向上方向，高1 120 m。模型共計247 500個單元和261 702個節點。邊坡巖性從下往上依次為底板變質石英砂巖、礦體硫化礦、頂板大理巖。計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節點采用X、Y、Z方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型Y方向的兩端采用Y方向約束。模型坡面為自由邊界。

圖1 羊拉銅礦里農礦段計算模型

3.2 高程維度回采順序模擬

3.2.1 回采順序模擬方案

里農礦段空場法設計采場長50 m，留設5 m頂底柱。數值模擬的間柱和礦房尺寸以及回采順序見表2。

表2 高程維度方向采場回采順序方案

3.2.2 計算結果與分析

對應力值、位移量和塑性區大小模擬計算結果進行分析，來確定不同方案對山坡和礦柱穩定性的影響程度。各方案計算結果見表3，因各方案模擬結果圖片過多，這里僅列舉方案1模擬結果，見圖2。

由圖2可知：

山坡的最大主應力分布于整個坡面，其值為-10 MPa；山坡的最小主應力分布于坡腳及部分山坡上，其值為0.94 MPa，為拉應力。山坡X方向的位移是+23 cm，山坡最大位移是+40 cm，說明礦體在開采的過程中，山坡的位移不斷向東移動，且在山坡坡頂位置出現最大的整體位移。山坡坡頂Z方向的位移為-40 cm，則山坡坡頂位置Z方向的位移不斷向下，且下沉的位移最大；山坡邊坡上的塑性區主要分布在坡頂和容易出現應力集中的坡腳處。山坡邊坡坡腳及坡頂位置較容易出現應力集中、位移量最大以及塑性區較多，則山坡坡腳及坡頂位置較易破壞，但破壞面積不大。

表3 高程維度方向各方案模擬計算結果

注：X方向位移，+表示東，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；應力，+表示拉應力，-表示壓應力。

圖2 高程維度上方案1模擬計算結果

礦柱的最大主應力和最小主應力均出現在礦柱上部，分別是-20和-2.5 MPa，則礦柱上部易出現應力集中；礦柱X方向的位移為+20 cm，說明礦柱位移方向與山坡一致，均不斷向東移動；礦柱Z方向的位移為-30 cm，則礦柱Z方向的位移不斷向下；礦柱的塑性區主要分布在礦柱上部，與采場頂板接觸位置。礦柱上部較容易出現應力集中、位移量最大以及塑性區較多，則礦柱上部易破壞。

通過表3中方案1～方案6的山坡和礦柱的應力、位移及塑性區對比分析可知，在采場結構尺寸相同的情況下，自上而下開采時山坡及礦柱應力和位移比自下而上開采時要小，說明礦體自上而下回采順序相對較安全；從山坡和礦柱的塑性區來看，自下而上回采的塑性區面積大于自上而下回采。因此，在高程維度的回采順序上，采用自上而下的回采順序較優。

3.3 平面維度回采順序模擬

3.3.1 回采順序模擬方案

羊拉銅礦里農礦段在平面維度上采用跳采的方式進行開采，即隔一采一，待兩旁空區充填后，再回采礦房，各方案均采用自上而下的回采順序，平面維度上各回采方案見表4。方案1～方案3為單個中段開采，方案4～方案6為多個中段開采，平面維度上的回采順序見圖3。

表4 平面維度方向采場回采順序方案

圖3 平面維度方向采場回采順序示意

3.3.2 計算結果與分析

平面維度上的計算結果分析與高程維度上的分析方法一樣，即對模擬計算結果的應力值、位移量和塑性區大小進行分析，確定不同方案對山坡和礦柱穩定性的影響程度。各方案計算結果見表5，因各方案模擬結果圖片過多，這里僅列舉方案1模擬結果，見圖4。

表5 平面維度方向各方案模擬計算結果

注：X方向位移，+表示東，-表示西；Z方向位移，+表示向上，-表示向下；應力，+表示拉應力，-表示壓應力。

由圖4可知：

山坡的最大主應力和最小主應力均在坡腳處以及部分坡面上，分別是-2.5和1 MPa，則山坡坡腳及部分坡面易出現應力集中和拉應力；山坡X方向的位移為+25 cm，山坡整體最大位移為+50 cm，說明礦體在開采的過程中，山坡位移不斷向東移動，且在山坡的中心處及坡頂處的位移最大；山坡Z方向的位移為-50 cm，則山坡Z方向的位移不斷向下，且位移下沉最大位置位于坡頂處；山坡邊坡上的塑性區主要分布在坡頂和容易出現應力集中的坡腳處。山坡邊坡坡腳及部分坡面位置較容易出現應力集中、位移量最大以及塑性區較多，則山坡坡腳及部分坡面位置較易破壞。

礦柱的最大主應力和最小主應力均出現在礦柱上部，分別是-25和-2 MPa，則礦柱上部易出現應力集中；礦柱X方向的位移為+27.5 cm，礦柱最大位移為+40 cm，說明礦柱位移方向與山坡一致，均不斷向東移動；礦柱Z方向的位移為-30 cm，則礦柱Z方向的位移不斷向下；礦柱的塑性區主要分布在礦柱上部，與采場頂板接觸位置。礦柱上部較容易出現應力集中、位移量最大以及塑性區較多，則礦柱上部易破壞。

圖4 平面維度上方案1模擬計算結果

通過對方案1～方案6的山坡和礦柱的應力、位移及塑性區對比分析可知，模擬的6個回采方案在應力和位移方面差別不大，而且最大應力和位移均集中在山坡坡腳、坡頂及部分坡面位置和礦柱上部，單從數值上看不出各方案的優劣；從塑性區分布來看，單中段回采時方案3礦柱上塑性區范圍較方案1和方案2少；多中段回采時方案6礦柱上塑性區范圍較方案4和方案5少。因此，在平面維度上不管礦體是單中段回采還是多中段回采，采用中間向兩翼回采順序較好。

4 結 論

(1)在高程維度上模擬的6個回采方案中，自上而下回采時山坡和礦柱應力、位移和塑性區較自下而上回采時小，說明礦體自上而下回采相對較安全，即里農礦段在高程上采用自上而下的回采順序較優。

(2)在平面維度上模擬的6個回采方案中，應力和位移方面相差不大，但從塑性區分布來看，不管礦體是單中段回采還是多中段回采，采用中間向兩翼回采順序較好，即里農礦段在平面上采用中間向兩翼的回采順序較優。

(3)里農礦段在平面維度上采用跳采方式能較好控制地壓，能有效防止沖擊地壓產生。