羊拉銅礦空場法采場結構參數數值模擬優化

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.昆明理工大學國土資源工程學院)

礦山工程的穩定是一個動態穩定問題，貫穿于礦山生產與建設的始終，在礦山基建階段就可能出現巷道變形、塌方、冒頂，在礦山生產階段則可能出現礦柱破壞、采場失穩[1-3]。影響采礦工程穩定性的因素很多，而巖石和支護材料的力學性質、地應力狀態及工程的施工方法是主要影響因素。在相同原巖應力及巖體強度參數下，不同結構參數的采場圍巖及礦柱的應力和位移分布狀態也不相同，直接影響到采場的穩定[4-5]。

近年來，國內外已有很多學者針對采場結構參數優化進行了許多相關的研究工作。陳順滿等[6]基于響應面法對破碎圍巖條件下采場結構參數進行優化研究，得出采場穩定性整體滿意度隨采場高度的增加而降低，隨礦柱直徑、礦柱間距和礦柱排距的增大，呈現出先增大后減少的趨勢。徐帥等[7]基于SOM的深埋厚大礦體采場結構參數優化研究，采用FLAC3D進行數值模擬計算，得到采場長度對采場穩定性影響最大，采場高度次之，其他因素影響相對較小。汪偉等[8]采用FLAC3D對無底柱深孔后退式崩礦法采場結構參數優化，通過彈性力學小薄板理論分析得到頂板穩定性隨采場結構參數的變化關系，優化確定了無底柱深孔后退式崩礦法的采場結構參數。

為保證羊拉銅礦里農礦段多層礦體安全開采，利用3D-σ有限元數值分析軟件對里農礦段多層礦體不同采場結構參數進行數值分析研究。

1 礦體賦存條件

羊拉銅礦里農礦段為多層緩傾斜中厚礦體，礦體呈上下層產出，且部分地段上下礦體之間的距離較近，礦區呈現多層礦體互存開采現象。里農礦段礦體以硫化礦為主，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的，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。

礦區呈陡峭地形地貌特點，礦體出露地表，采用地下開采，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。采空區離地表較近，地表覆蓋巖石穩固性差。對于這種陡峭地形的多層礦床開采，必須維護上層礦體頂板、礦柱及夾層的穩定，否則，必將導致較大規模的地壓活動，造成礦石難以采出，生產能力低下，產生大面積冒頂，地表巖體移動，引起地表塌陷、滑坡及大量滾石。因此，要解決的主要巖石力學問題是確定礦體開采前后的應力和位移及其在開采過程中的變化，優化采場的結構參數，為設計和施工提供一定的理論依據。

2 數值模擬

空場法是利用礦柱支撐頂板，控制其變形破壞。應用空場采礦法開采時，要使采場處于良好的穩定狀態，要求礦房跨度不超過極限值，采場暴露面積不超過極限暴露面積，同時還要最大限度地利用采場礦柱的強度。礦房跨度過大或礦柱尺寸過小，會使礦房頂板冒落，礦柱壓壞；礦房跨度過小或礦柱尺寸過大，礦房雖很穩定，礦柱有足夠的強度，但礦石回收率有明顯降低。因此，合理的采場結構參數和正確的地壓控制方法，是保證礦房回采安全的前提，能夠最大限度地回收礦石資源。

數值模擬方法是近幾十年發展起來的高效經濟的計算機仿真技術，在我國礦山開采工程中的應用越來越得到人們的重視，已經成為礦山巖體力學必不可少的有效研究措施[9-15]。利用3D-σ數值模擬計算軟件，對羊拉銅礦里農礦段的多層礦體地下開采的采場結構參數進行計算優化。

2.1 礦巖物理力學參數

通過室內巖石力學試驗，獲得該礦段內礦巖的物理力學參數，見表1。

表1 羊拉銅礦里農礦段礦巖的物理力學參數

注：礦巖物理力學參數來源于《羊拉銅礦高山復雜礦床安全高效開采技術試驗研究》成果。

根據該礦區主要礦巖的物理力學性質和試驗結果，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工程折減，獲得數值模擬計算所需物理力學參數，見表2。

表2 折減后羊拉銅礦里農礦段礦巖的物理力學參數

由于計算研究范圍涉及的巖體、礦體均屬于彈塑性材料，模擬計算采用理想彈塑性模型(莫爾-庫侖模型)。模型周邊和底面為位移邊界條件，周邊限制水平運動，底面限制垂直運動，模型上面為自由邊界。

2.2 幾何模型建立

羊拉銅礦里農礦段以緩傾斜薄至中厚礦體為主，采用底盤漏斗空場采礦法開采。礦體分盤區回采，盤區沿礦體走向依次回采，盤區間柱寬5 m。每個盤區由沿走向隔離礦柱劃分成上下2個采場，采場隔離礦柱寬5 m，采場斜長40 m。該礦段三維幾何模型見圖1。

2.3 數值模擬方案確定

采場允許暴露面積是指導采礦設計與礦山生產的一個重要參數，根據頂板允許暴露面積可優化采場及盤區的結構參數。巖體的力學狀態及變形位移，是評價巖體穩定條件的依據。羊拉銅礦里農礦段礦體最大厚度為41.25 m，平均為10.54 m，礦體埋深約250 m。利用卡斯特納方程可得到礦體上覆巖層大理巖塑性區半徑Rp，即

圖1 羊拉銅礦里農礦段盤區三維幾何模型(單位:m)

(1)

式中,Rp為開挖處塑性區的半徑，m；R0為開挖半徑，m；P0為開挖處的上覆巖層垂直自重應力，MPa；c為巖體黏聚力，MPa；φ為巖體內摩擦角，(°)；L′為開采空間跨度，即礦塊沿走向長度，m；h為開采空間高度，m；γ為上覆巖層的容重，N/m3；H為上覆巖層的厚度，m。

利用上述圍巖塑性區理論計算出礦體開采形成的上覆巖層大理巖塑性區半徑約57.276 m。根據表2巖體物理力學參數，基于材料力學梁理論計算分析可知，在采場斜長40 m時，采場最大寬度為45 m。因此，選取采場寬度30,40和50 m進行數值模擬。故根據采場不同寬度，提出3種模擬計算方案，方案1為采場寬30 m，采場斜長40 m，頂板暴露面積為1 200 m2；方案2為采場寬40 m，采場斜長40 m，頂板暴露面積為1 600 m2；方案3為采場寬50 m，采場斜長40 m，頂板暴露面積為2 000 m2。

2.4 模擬計算結果及分析

空場采礦法在礦體開采過程中，采場頂板圍巖產生的應力值、位移量和塑性區大小是評判不同采場結構參數優劣的重要依據。因此，主要從采場頂板的應力值、位移量和塑性區大小進行分析，不同方案計算結果見圖2～圖4。

圖2 3種不同采場結構參數的采場頂板應力值關系

圖3 3種不同采場結構參數的采場頂板位移量關系

圖4 3種不同采場結構參數的塑性區分布

由圖2～圖4可知：

(1)方案1采場頂板中央位置處位移量為20.3 cm，頂板最大拉應力為1.120 MPa，出現在采場頂板中央部位，最大壓應力為6.3 MPa，礦體回采后，沿礦體走向和傾向方向，頂板形成應力拱。當采場寬30 m時，采場的2個側壁頂板出現連續塑性破壞區，沿走向應力拱拱腳受到破壞，但沿傾向方向，各側壁未受到破壞，頂板巖層壓力主要由沿傾向方向應力拱支撐，采場頂板穩定。

(2)方案2采場頂板中央位置處位移量為32.1 cm，頂板最大拉應力為1.307 MPa，出現在采場頂板中央部位，最大壓應力為6.9 MPa。當采場寬40 m時，采場的2個側壁頂板出現連續貫通塑性破壞區，沿走向方向應力拱拱腳受到破壞，但沿傾向方向，側壁塑性區基本接近連續，采場頂板應力拱腳受到破壞，說明里農礦段頂板最大暴露面積應在1 600 m2以內，此時采場處于不穩定狀態。

(3)方案3采場頂板中央位置處位移量為58.7cm，頂板最大拉應力為2.462MPa，出現在采場頂板中央部位，最大壓應力為8.2MPa。采場頂板四周出現連續塑性破壞區，各邊應力拱腳均受到破壞，頂板處于不穩定狀態，說明里農礦段頂板暴露面積難以達到2000m2，采場在此條件下處于不穩定或失穩狀態。

通過比較3種不同采場結構參數情況下的頂板應力值、位移量和塑性區可知，方案1采場結構參數時頂板應力值、位移量和塑性區都比方案2和方案3小，說明采場頂板最為穩定，開采最為安全，故方案1采場結構參數最優。

3 結 語

根據羊拉銅礦里農礦段礦體的開采技術條件以及礦巖的物理力學性質，采用3D-σ有限元數值模擬計算軟件對3種采場結構參數進行模擬，得出方案1的采場結構參數為最優，即采場寬30 m，采場斜長40 m?，F場生產實踐證明，采用方案1采場結構參數，能夠有效地控制采場頂板變形及冒落，保證了多層礦體安全高效開采。