安慶銅礦1#礦體深部殘礦回采安全性分析

羅皖東

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦，安徽 安慶 246100)

安慶銅礦經(jīng)過20多年開采，-618 m以上礦體資源基本上已消耗殆盡，為了滿足礦山產(chǎn)量的要求，保障礦山的經(jīng)濟(jì)效益，加快該區(qū)域礦體的開采進(jìn)度已迫在眉睫。通過全面調(diào)查分析安慶銅礦1#礦體-618 m以下8線以西相關(guān)區(qū)域開采現(xiàn)狀、充填情況、開采技術(shù)條件等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]，結(jié)合相關(guān)區(qū)域采場充填體原位取芯強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，評估采場充填質(zhì)量，進(jìn)而利用大型三維數(shù)值模擬分析方法，計(jì)算優(yōu)化1#礦體8線以西-618 m以下殘礦體采場的布置方案、回采順序，論證不留設(shè)-618～-640 m水平礦柱的安全可靠性[3-4]，實(shí)現(xiàn)1#礦體深部殘礦安全合理回采。

1 深部殘礦體工程調(diào)查及原位充填質(zhì)量評價(jià)

1.1 殘采區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查

研究范圍內(nèi)礦體的頂?shù)装鍑鷰r主要為大理巖和閃長巖，巖石穩(wěn)固性較好。礦區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評級中等，水文地質(zhì)邊界較復(fù)雜，水文地質(zhì)條件屬以巖溶充水為主的中等類型。

1.2 殘采區(qū)域采充現(xiàn)狀

1#深部殘礦體主要開采水平為-618 m、-640 m、-700 m中段。1#礦體-618 m以下(8線以西)共劃分有3P、3R、1P、1R、2P、2R、4P、4R、6P、6R、8P、8R、10P、10R、12P、12R等16個(gè)采場。其中3P、3R、1P、1R、2P、2R采場分布在-640 m水平以上，4P、4R、6P、6R采場分布在-675 m水平以上，8P、8R、10P、10R、12P、12R采場分布在-725 m水平以上。目前，除8R采場(-700～-640 m)、10R采場(-700～-640 m)已回采結(jié)束外，其余均未回采。

為了掌握1#深部殘礦體的各采場充填體的實(shí)際結(jié)構(gòu)，對-618 m和-700 m中段采場充填現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。目前-618 m中段共有15個(gè)采場。其中， 6RP、4P、2R、2P、1P、3R、3P、5P、7R、7P、9R、9P已經(jīng)充填結(jié)束，底部均為高強(qiáng)度充填方式。6RP、4P、2P、1P、3P、5P、7P、9P為一步驟采場，采用膠結(jié)充填方式，2R、1R、3R、7R、9R為二步驟采場，采用非膠結(jié)充填方式。-700 m中段8R、10R為一步驟采場，采用膠結(jié)充填方式。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各采場充填設(shè)計(jì)方案與實(shí)際的充填結(jié)果對比，實(shí)際充填結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)充填參數(shù)略有差別，但總體上兩者相差不大。實(shí)際充填過程中，廢石添加量比例較大[5]，見圖1～2。

圖1 4P采場實(shí)際充填圖(單位 m)Fig.1 The actual filling map of 4P stope

圖2 8R采場實(shí)際充填圖(單位 m)Fig.2 The actual filling map of 8R stope

1.3 殘采采場原位充填質(zhì)量評價(jià)

為了掌握1#礦體-618 m中段相關(guān)區(qū)域充填質(zhì)量，為1#礦體-618 m以下(8線以西)區(qū)域殘礦回采安全性分析提供依據(jù)，在-618 m中段代表性采場(2P、3R、6RP)底部開展了充填體的現(xiàn)場鉆孔取芯工作。通過單軸壓力試驗(yàn)，采場鉆孔取芯測試膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求(3.2～3.6 MPa)，其中：2P采場平均值3.5 MPa，最小1.38 MPa，最大7.32 MPa；3R采場平均值5.4 MPa，最小2.4 MPa，最大14.1 MPa；6RP采場平均值4.5 MPa，最小2.8 MPa，最大6.5 MPa。同時(shí)膠結(jié)充填體取芯強(qiáng)度沿采場長度方向具有明顯離散性，見圖3，以充填下料口為原點(diǎn)，沿充填料漿流動方向充填體強(qiáng)度呈減小—增大—減小的倒轉(zhuǎn)“S”分布，分為充填體強(qiáng)度損失區(qū)和強(qiáng)度增加區(qū)[6-7]。

圖3 2P采場原位取芯強(qiáng)度隨鉆孔進(jìn)尺變化規(guī)律Fig.3 The variation of in-situ coring strength with drilling footage in 2P stope

2 深部殘礦體安全開采方案優(yōu)化模擬研究

2.1 數(shù)值模型假定條件及構(gòu)建范圍

本次采用FLAC3D軟件為工具進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。巖體和充填體都是服從摩爾—庫倫破壞準(zhǔn)則。其次假定充填體是充分接頂?shù)模葱枰O(shè)定充填體與直接頂板之間的接觸面單元，該接觸面僅能傳遞上部頂板對充填體的壓應(yīng)力。模擬范圍為整個(gè)1#礦體8號勘探線以西自地表+50 m至-995 m水平的所有新舊采場，構(gòu)建的FLAC3D整體模型三維尺寸為1 125 m×400 m×1 045 m，如圖4所示。沿著礦體走向方向定義為X方向，垂直于礦體走向方向定義為Y方向，垂直方向定義為Z方向。在開展-618 m以下殘礦體開采方案的模擬研究中，綜合考慮-510～-618 m兩個(gè)階段中尚未開采的礦塊的采充過程，分析-618 m水平上下采場的開采充填可能存在的相互力學(xué)影響。因此，數(shù)值計(jì)算模型包含了安慶銅礦1#礦體8線以西所有的新舊采場：-618 m以上的已完成采充過程的舊采場、-510～-618 m兩個(gè)階段中尚未開采的典型采場、-618 m以下的重點(diǎn)研究的殘礦體采場。

圖4 三維數(shù)值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

2.2 材料參數(shù)及地應(yīng)力選取

1#主礦體礦石類型主要為含銅矽卡巖和含銅磁鐵礦，呈急傾斜產(chǎn)狀。礦體的上盤圍巖為大理巖，下盤圍巖為閃長巖，主要巖體物理力學(xué)參數(shù)[8]見表1。 其次研究中充填體均采用長期強(qiáng)度指標(biāo)，包括容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等，見表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 膠結(jié)充填體物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)安慶銅礦原來的初始地應(yīng)力場實(shí)測結(jié)果，可知1#礦體的水平最大主應(yīng)力δh,max、最小主應(yīng)力δh,min和垂直應(yīng)力δv(MPa)與自地表向下的深度H(m)的線性增加關(guān)系，具體為：

(1)

2.3 數(shù)值模擬采充方案

本次數(shù)值模擬重點(diǎn)研究的-618 m以下殘礦體和-510～-618 m尚未開采完成的采場，總共劃分為7步進(jìn)行采充時(shí)序模擬，每一步中又同樣分成2個(gè)計(jì)算循環(huán)，即開挖和充填兩個(gè)計(jì)算平衡過程。圖5給出了-618 m以下殘礦體采場以及-510～-618 m尚未開采采場的開采順序圖和充填布置方案，其中各個(gè)采場黑色標(biāo)號為統(tǒng)一的采場標(biāo)識，新采場的1～7采充順序標(biāo)識已在圖中標(biāo)識。

圖5 開采順序及充填布置方案圖Fig.5 Mining sequence and filling layout

2.4 數(shù)值模擬分析與方案優(yōu)化

2.4.1 數(shù)值模擬分析

根據(jù)1#礦體的采充現(xiàn)狀，結(jié)合前期調(diào)研分析的所有舊采場的采充時(shí)序，對1#礦體-618 m以上的已完成采充過程的舊采場進(jìn)行逐步循環(huán)疊加數(shù)值模擬計(jì)算，得出-618 m以下殘礦開采前重新分布應(yīng)力場，進(jìn)而開展-618 m以下殘礦體規(guī)劃的7步采充時(shí)序進(jìn)行模擬。由于篇幅有限，本文只列出每步開挖的最大主應(yīng)力云圖，見圖6。通過分步開挖后的模擬結(jié)果來看，當(dāng)-618～-640 m水平礦柱采場逐步開挖后，導(dǎo)致-560～-618 m階段采場底部的高強(qiáng)度膠結(jié)充填體下向揭露，通過本次數(shù)值模擬和采場原位取芯強(qiáng)度可知，下向揭露的膠結(jié)充填體能夠在殘礦采場回采過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，并未出現(xiàn)明顯的大范圍破壞區(qū)域，僅在應(yīng)力集中的局部礦巖中出現(xiàn)表層塑性區(qū)。因此，1#礦體-618 m以下(8線以西)殘礦區(qū)域開采時(shí)不留設(shè)-618 m至-640 m水平礦柱的開采方案總體是安全可行的。

2.4.2 方案優(yōu)化

結(jié)合深部殘礦體的開采技術(shù)條件和數(shù)值模擬結(jié)果，方案實(shí)施總體上盡量遵循隔三采一、上下合并和交錯(cuò)布置的開采原則，采場布置盡可能按照由下至上的回采順序，同時(shí)采用上下合并后的高階段采場，從而保證采場的回采效率和安全穩(wěn)定性。據(jù)此原則，采用如下采場布置方案：

1)-510～-560 m和-560～-618 m中段尚未開采的采場仍沿用原設(shè)計(jì)的回采模式。

2)-618～-725 m自西向東分為3大區(qū)域，西部區(qū)域的3P、3R、1P、1R、2P、2R礦塊采用高度22 m的矮采場；中部區(qū)域沿豎直方向上下合并中段，將4P、4R、6P、6R布置為高度62 m的典型采場；東部區(qū)域中的8R8、10R8采場已按典型的60 m高度(-640 m至-700 m)采充完畢，其上部和下部8R、10R采場分別采用22 m和25 m的矮采場；剩余的8P、10P、12RP采場沿上下合并中段后，按自下而上順序開采。

3 結(jié)論

1)深部采場底部原位鉆孔取芯強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，充填質(zhì)量沿充填料漿流動方向具有不均勻性，呈減小—增大——減小的倒轉(zhuǎn)“S”分布。

2)通過對-618 m水平以下新規(guī)劃的采充時(shí)序進(jìn)行數(shù)值模擬分析，殘采區(qū)域未出現(xiàn)明顯的大范圍破壞區(qū)域，證明了-618 m以下殘礦體回采時(shí)不留設(shè)-618～-640 m水平礦柱的開采方案是可行的。

3)針對深部殘礦體，建議盡量遵循隔三采一、上下合并和交錯(cuò)布置的開采原則，采場布置盡可能按照由下至上的回采順序，從而保證采場的回采效率和安全穩(wěn)定性。

圖6 7步開挖的最大主應(yīng)力云圖Fig.6 The maximum principal stress nephogram of 7 step excavation