阿舍勒銅礦厚大礦體回采順序優(yōu)化研究

唐匡仁 韓鋒偉

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

1 地質(zhì)及開采技術(shù)條件

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū)，屬于火山噴氣沉積-變質(zhì)熱液疊加形成的塊狀硫化物銅鋅礦床，銅工業(yè)儲(chǔ)量近92 萬(wàn)噸。該銅礦主要由一號(hào)、二號(hào)礦床組成，其中，Ⅰ號(hào)礦體是一號(hào)礦床的主要礦體，其銅金屬量占礦床總儲(chǔ)量的97.43%，是礦床中最主要的工業(yè)礦體；Ⅰ號(hào)礦體賦存于第二巖性中亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。

礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。褶皺后東翼頂板以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。底板為玄武巖；西翼礦體和轉(zhuǎn)折端附近礦體頂板仍以玄武巖為主。底板則以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r為主。調(diào)查統(tǒng)計(jì)地質(zhì)鉆孔巖芯RQD 發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦平均RQD 為81.2%，銅硫礦平均RQD 為70.9%，凝灰?guī)r平均RQD為41.5%。RQD較低的凝灰?guī)r遇水易軟化、泥化、崩解、膨脹。

礦體總體呈南北向分布，銅礦礦體走向長(zhǎng)度853m，最大垂深900m，礦體東翼平均厚度45m，西翼平均厚度20m，傾角55°～85°，具有儲(chǔ)量大與水平厚度大等特點(diǎn)。銅礦石品位2.43%，主要礦物為黃銅礦，Zn、S 共生。依據(jù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，開采至800m 深度時(shí)，最大主應(yīng)力為37.7MPa，水平應(yīng)力接近垂直應(yīng)力的1.5倍，礦區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

2 采礦方法簡(jiǎn)介

通過比選，針對(duì)厚大礦體采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘āＴ摲椒ú蓽?zhǔn)及開拓工程布置較少，生產(chǎn)效率高、且相對(duì)安全。該采礦方法采場(chǎng)垂直礦體走向布置，采場(chǎng)寬為12m，高為中段高，一般為50m，當(dāng)?shù)V體厚度小于50m時(shí)，采場(chǎng)長(zhǎng)為礦體寬度，當(dāng)?shù)V體厚度大于50m時(shí)，則布置兩個(gè)采場(chǎng)，分上下盤進(jìn)行開采。

目前，礦山采用隔三采一的回采方式進(jìn)行一步驟回采，采場(chǎng)之間不留間柱，一步驟回采完畢之后進(jìn)行膠結(jié)充填，再進(jìn)行二步驟回采。二步驟采場(chǎng)開采時(shí)出礦穿脈借用已充填完畢的采場(chǎng)底部穿脈巷道，需進(jìn)行二次開挖，通過殘礦堆時(shí)進(jìn)度較慢，危險(xiǎn)較高。大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ńY(jié)構(gòu)主要包括頂部鑿巖硐室、切割槽、底部結(jié)構(gòu)等，該采礦方法示意圖見圖1。

圖1 大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ疽鈭D

礦體上盤凝灰?guī)r遇水膨脹，強(qiáng)度降低，變形較大。隨著開拓工程和采礦工作不斷向深部發(fā)展，工程地質(zhì)和礦體賦存條件將會(huì)變得越來越復(fù)雜，礦山地壓顯現(xiàn)變得越來越突出，合理的回采順序?qū)τ诘貕嚎刂啤⑸畈堪踩⒏咝А⒔?jīng)濟(jì)的礦體開采至關(guān)重要。

3 回采方案制定

50m 中段共有采場(chǎng)20 個(gè)，從北向南依次為北6、北5、北4、北3、北2、北1、0、1、2、3、4、5號(hào)。根據(jù)礦山深部開采現(xiàn)狀，并考慮開采順序和一二期礦房布置。共設(shè)計(jì)了四種回采方案。

方案一：隔一采一，由中間向兩側(cè)的回采方案

礦房開采順序?yàn)?#采場(chǎng)、0#采場(chǎng)、北2#采場(chǎng)、4#采場(chǎng)、1#采場(chǎng)、北4#采場(chǎng)、3#采場(chǎng)、北1#采場(chǎng)、北6#采場(chǎng)、5#采場(chǎng)、北3#采場(chǎng)、北5#采場(chǎng)。

方案二：隔一采一，由兩側(cè)向中間的開采方案

礦房開采順序?yàn)?#采場(chǎng)、北2#采場(chǎng)、北6#采場(chǎng)、4#采場(chǎng)、0#采場(chǎng)、北4#采場(chǎng)、5#采場(chǎng)、1#采場(chǎng)、北3#采場(chǎng)、3#采場(chǎng)、北1#采場(chǎng)、北5#采場(chǎng)。

方案三：隔三采一，由中間向兩側(cè)的開采方案

礦房開采順序?yàn)?#采場(chǎng)、北5#采場(chǎng)、3#采場(chǎng)、北3#采場(chǎng)、1#采場(chǎng)、4#采場(chǎng)、北4#采場(chǎng)、北1#采場(chǎng)、2#采場(chǎng)、北6#采場(chǎng)、1#采場(chǎng)、北2#采場(chǎng)。

方案四：隔三采一，由兩側(cè)向中間的開采方案

礦房開采順序?yàn)?#采場(chǎng)、北6#采場(chǎng)、1#采場(chǎng)、北2#采場(chǎng)、3#采場(chǎng)、北4#采場(chǎng)、北1#采場(chǎng)、4#采場(chǎng)、北5#采場(chǎng)、0#采場(chǎng)、北3#采場(chǎng)、2#采場(chǎng)。

3 模型構(gòu)建及參數(shù)取值

3.1 本構(gòu)模型

本次方案研究采用數(shù)值模擬分析法，通過FLAC3D軟件仿真模擬開采全過程，分析不同回采方案中的應(yīng)力、應(yīng)變特征，進(jìn)而優(yōu)選回采順序方案。

本次模擬對(duì)象為巖土工程特性，因此選擇莫爾庫(kù)倫模型，該模型所采用的破壞準(zhǔn)則為摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，破壞準(zhǔn)則在最大和最小主應(yīng)力面表示見圖3。

3.2 模型構(gòu)建

FLAC3D 計(jì)算模型應(yīng)嚴(yán)格控制研究區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格密度，減小外圍區(qū)域的網(wǎng)格密度。根據(jù)以上原則，該銅礦計(jì)算模型長(zhǎng)2270m，寬1450m，高1300m，共236838個(gè)節(jié)點(diǎn)，1380664個(gè)單元體。計(jì)算模型地表高低起伏依據(jù)實(shí)際地表地形建立的。根據(jù)地表地形圖的等高線分布情況，按照等高線的高程及疏密程度建立地表模型。

圖4 開采計(jì)算模型

圖5 礦體模型構(gòu)建

3.3 參數(shù)取值

針對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的獲取問題，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，常見的方法主要有數(shù)值法、經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度折減法、試驗(yàn)法和地球物理等方法。實(shí)踐證明，綜合考慮多因素的Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則評(píng)估巖體力學(xué)參數(shù)的方法是目前最完善的方法之一。

本次巖體力學(xué)參數(shù)采用Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行折減，折減后的礦體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 深部采區(qū)應(yīng)力分布特征分析

（1）方案一回采過程應(yīng)力分布特征分析

當(dāng)開采至第三個(gè)采場(chǎng)時(shí)，在每個(gè)采場(chǎng)的頂板區(qū)域都形成了壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力數(shù)值為45～50MPa，采場(chǎng)頂部的應(yīng)力集中區(qū)已和上個(gè)開采組合引起的應(yīng)力集中區(qū)域貫通。在開采采場(chǎng)的南北兩側(cè)分別形成了壓應(yīng)力集中區(qū)域，其數(shù)值甚至高達(dá)55～60MPa。

圖6 方案一開采過程中最大主應(yīng)力分布特征

（2）方案二回采過程應(yīng)力分布特征分析

當(dāng)開采完四個(gè)采場(chǎng)時(shí)，在每個(gè)采場(chǎng)的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力數(shù)值為45～50MPa，同時(shí)，在相鄰的兩個(gè)一期礦房的頂板區(qū)域形成了一定區(qū)域的壓應(yīng)力集中區(qū)。值得注意的是，在礦體中間未開采的區(qū)域形成了應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力達(dá)到50～55MPa，此區(qū)域應(yīng)力集中程度較高，開采該區(qū)域時(shí)易引起巖爆、冒頂或巖體垮塌事故。在該中段礦體南翼，開采擾動(dòng)區(qū)域較小，礦體北端應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域范圍較大。

圖7 方案二開采過程中最大主應(yīng)力分布特征

（3）方案三回采過程應(yīng)力分布特征分析

當(dāng)開采完三個(gè)采場(chǎng)時(shí)，在每個(gè)采場(chǎng)的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力數(shù)值為45～55MPa，同時(shí)，在相鄰的兩個(gè)一期礦房的頂板區(qū)域未形成明顯的應(yīng)力組合拱。在靠近礦體南端的兩個(gè)采場(chǎng)之間出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最高達(dá)到50～55MPa。在礦體北端的相鄰的一期礦房?jī)?nèi)部未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。該開采區(qū)域的兩端仍然是已出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域。在該中段開采區(qū)域的南側(cè)，應(yīng)力最大45MPa，應(yīng)力集中程度并不是很突出。在該中段開采區(qū)域北側(cè)，形成了范圍較大的應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力達(dá)50MPa。

圖8 方案三開采過程中最大主應(yīng)力分布特征

（4）方案四回采過程應(yīng)力分布特征分析

當(dāng)開采完四個(gè)采場(chǎng)時(shí)，同樣在每個(gè)采場(chǎng)的頂板區(qū)域都形成了小范圍的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力數(shù)值為40～45MPa。在開采中段南端的兩個(gè)相鄰采場(chǎng)之間的礦柱形成了應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力達(dá)到50～55MPa，其范圍主要分布在開采中段采場(chǎng)的底部。在開采區(qū)域的南側(cè)和北側(cè)都生成了應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，開采區(qū)域南側(cè)的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)范圍較小，開采區(qū)域北側(cè)的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)范圍較大。這兩處應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)均處于卸壓狀態(tài)。

圖9 方案四開采過程中最大主應(yīng)力分布特征

4.2 結(jié)果分析與方案優(yōu)化

對(duì)比四種方案的應(yīng)力分布可以看出，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較小時(shí)，相鄰采場(chǎng)之間的礦柱不易形成應(yīng)力集中，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較高時(shí)，相鄰采場(chǎng)之間的礦柱越小（礦柱寬度為一個(gè)采場(chǎng)寬度），越不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，礦柱越大（礦柱寬度為三個(gè)采場(chǎng)寬度），越容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

因此，在圍巖完整性較好時(shí)，應(yīng)盡量采用隔一采一、中間向兩側(cè)的開采方式。當(dāng)圍巖完整性較差時(shí)，為保證二期礦房的穩(wěn)定性，應(yīng)采用隔三采一、中間向兩側(cè)的開采方案。參考50m、100m 中段RQD 分布，應(yīng)采用隔三采一、中間向兩側(cè)的開采方案。

表2 阿舍勒銅礦深部采區(qū)開采最大主應(yīng)力

5 結(jié)論

隨著開采深度的增加，主應(yīng)力的數(shù)值和集中程度都在不斷增加。在開采中段的頂板、底板區(qū)域容易形成應(yīng)力集中，且頂板容易形成拉應(yīng)力集中。模擬獲得的應(yīng)力分布特征與微震視應(yīng)力分布、變形區(qū)域分布規(guī)律類似，在150m 中段礦體南端、50m 中段礦體南端易形成應(yīng)力集中，集中程度高于150m 中段、50m 中段礦體的中間位置。隨著開采中段采場(chǎng)的開采，在0m 中段、150m 中段采場(chǎng)的頂板區(qū)域形成了應(yīng)力拱。

對(duì)比隔一采一、中間向兩側(cè)開采，隔一采一、兩側(cè)向中間開采，隔三采一、中間向兩側(cè)開采，隔三采一、兩側(cè)向中間開采四種方案的應(yīng)力分布可以看出，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較小時(shí)，相鄰采場(chǎng)之間的礦柱不易形成應(yīng)力集中，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較高時(shí)，相鄰采場(chǎng)之間的礦柱越小（礦柱寬度為一個(gè)采場(chǎng)寬度），越不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，礦柱越大（礦柱寬度為三個(gè)采場(chǎng)寬度），越容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，在圍巖完整性較好時(shí)，應(yīng)盡量采用隔一采一、中間向兩側(cè)的開采方式。當(dāng)圍巖完整性較差時(shí)，為保證二期礦房的穩(wěn)定性，應(yīng)采用隔三采一、中間向兩側(cè)的開采方案。依據(jù)50m、100m 中段RQD 分布，應(yīng)采用隔三采一、中間向兩側(cè)的開采方案。