喀拉通克銅鎳礦下向進路法采場結構參數優化

李守強 汪 亮 郭振鵬

（1.喀拉通克銅鎳礦礦業有限責任公司2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

喀拉通克銅鎳礦是一家集采礦、選礦及冶煉為一體的大型有色金屬聯合企業，共有3個礦床，其中一號礦床屬于極破碎的大型礦床，礦床分5個礦帶：Ⅰ礦帶（特富礦）、Ⅱ礦帶（富礦）、Ⅲ礦帶（貧礦）、Ⅳ礦帶（低品位原生礦）、Ⅴ礦帶（低品位氧化礦）。由于一號礦床礦體條件較差，礦山基本采用下向進路膠結充填法開采，進路面積小，開采成本高，對充填體的要求也高，支護量大，礦山綜合采礦成本非常高，在采富礦時，礦山有盈利，照此回采貧礦體，可能會造成礦山虧損。因此需要對一號礦床貧礦體的采礦方法進行優化研究。

1 采礦方法優化

1.1 現采礦方案

一號礦床的采礦方法為下向進路膠結充填法，采場按礦體走向布置，在礦體走向方向每80～100 m劃分為1個盤區，回采進路沿礦體走向布置。首采分層進路斷面尺寸為2.0 m×2.0 m，其余分層進路斷面尺寸為（2.5～3.5）m×（2.5～3.5）m，每5個分層設1個分段巷道。回采進路的選擇可以采用隔二采一的方式。當1條進路開采完畢后，馬上進行充填作業，當1個分層的進路全部回采完畢后，便轉入下1個分層進行回采。

1.2 采礦方法優化方案

根據一號礦體的開采技術條件，可以選擇的采礦方法較少，目前礦山采用的下向進路膠結充填法是比較合適的采礦方法，只是進路斷面尺寸偏小，一次落礦量較少，影響了采礦效率；此外采用隔二采一的回采順序，有三分之二的進路要采用較高配比的充填砂漿進行充填，高配比充填體占比較多，進一步提高了采礦成本。

基于此，在原方案的基礎上擴大進路斷面尺寸，回采時隔三采一，為了確?；夭砂踩蛥岛侠恚芯坎捎脭抵的M和現場試驗的方法予以確認和驗證［1］。

2 力學參數處理

2.1 礦巖力學參數

本次研究參考以前的科研成果，綜合考慮巖體的質量等級，推薦用于本次研究的數值模擬的巖體力學參數見表1。

?

2.2 充填體力學參數

本次數值模擬充填體的物理力學參數采用《喀拉通克礦業公司固廢生態化充填利用技術研究》中數據，其物理力學參數見表2。

2.3 配筋方案

參考相關研究成果［2-3］，結合礦山情況，確定配筋方案：采礦時將最后2次爆破的礦石均勻鋪撒在采場底板上，厚度為30 cm，再鋪設鋼筋網架，并用吊筋將網架固定于采場頂板上。吊筋網度1.6 m×1.6 m，直徑為10 mm；主筋網度1.6 m×1.6 m，直徑為10 mm；副筋間距200 mm×200 mm，直徑為8 mm；三角掛筋直徑為10 mm。鋼筋假底必須在同一分層連成一個整體。橫筋鋪設時，如果旁邊為待采進路，則需要橫筋端部向上彎起300～500 mm，便于和相鄰進路連接。假底鋼筋鋪設完必須保證150～200 mm的架空高度，嚴禁在底筋未架高的情況下直接充填。三角掛筋在充填前要預埋好，以保證轉層后吊筋掛環的出露。底筋間相互搭接、吊筋和吊環搭接時，搭接長度需大于150 mm。

?

2.4 配筋充填體力學參數計算

配筋充填體是由鋼筋網和充填體構成的復合材料，屬于非均質，非線性材料。在數值分析中要采用分別不同材料，單元類型模擬（即建立分離模型），這種模擬方式計算量過大，不適應對其整體結構進行分析。因此本項目通過假設鋼筋網和充填體土黏結良好，忽略鋼筋網與充填體之間的粘結滑移，認為兩者共同承受載荷。建立配筋充填體的整體等效模型［4-5］。鋼筋的彈性模量為210 GPa，屈服強度為235 MPa，泊松比為0.27，容重為7 850 kN/m3。

（1）配筋充填體的彈性模量采用等效彈性模量［6］，其計算公式為

式中，Ee為配筋充填體的等效彈性模量，GPa；Ec為充填體的彈性模量，GPa；Eg為鋼筋的彈性模量，GPa；A為含有配筋的充填體橫斷面總面積，m2；A1為充填體的橫斷面積（不含鋼筋截面積），m2；A2為充填體橫斷面內鋼筋的橫斷面積，m2。

計算結果為0.838 GPa。

（2）根據等強度理論［7］，估算配筋充填體等效的抗拉強度公式為

式中，Rt為配筋充填體等效的抗拉強度，MPa；為充填體的動抗拉強度，MPa；為鋼筋的動屈服強度，MPa；為充填體結構鋼筋含量的體積率。

經過計算，配筋充填體抗拉強度為1.178 MPa。

（3）配筋充填體抗剪參數計算是根據充填體不同灰砂比的試驗數據，通過C、φ值建立與彈性模量和抗拉強度的多元線性回歸方程C=2.345Rt-0.119Ee-0.229，φ=-2.589Rt+3.74Ee+36.03，計算得配筋充填體的黏聚力為2.434 Pa，內摩擦角為36.114°。

2.5 力學參數匯總

本次數值模擬礦巖體、充填體及配筋充填體的力學參數見表3。

?

3 數值模擬

本次數值模擬采用FLAC3D軟件［8］，進路斷面由高度和跨度決定，進路的高度采用數值模擬一般難以進行優化選擇，因此，本次模擬在現行3.5 m高度下，進行跨度3.5、4.0、4.5、5.0和5.5 m的方案模擬分析，開采順序按隔三采一。

3.1 應力分析

3.1.1 最大主應力分析

通過模擬可知，采空區所造成的應力集中主要出現在采空區兩側附近，見圖1～圖3。

由圖3可知：礦柱內最大主應力隨采場跨度增大呈線性增長趨勢，一步驟、四步驟礦柱內部最大主應力較小，二、三步驟礦柱內部最大主應力較大；一步驟開采時，二、三及四步驟采場均為礦體，礦體承載能力較高，此時礦柱內最大主應力較低；二步驟開采時，一步驟采場為充填體，其承載能力較弱，此時主要由三、四步驟采場的礦體支撐，由于礦柱橫截面積減小，其內部應力升高。開采三步驟時，其兩側均為充填體，只有四步驟采場為礦體，礦柱橫截面積進一步縮小，最大主應力進一步增大。開采四步驟時，礦柱只有充填體形成的人工礦柱，其承載能力較弱，應力大量轉移至盤區兩側。因此，礦柱內應力又開始減小。

3.1.2 最小主應力分析

模擬可知：拉應力主要分布在采場頂板處，見圖4～圖6。

由圖6可知：采場頂板內最大主應力均隨采場跨度的增大而逐漸增大。三、四步驟相較一、二步驟頂板內拉應力大大增加。在實際開采過程中，可考慮將一、二步驟采場跨度適當擴大，三、四步驟跨度適當縮小，以防止三、四步驟采場頂板拉應力過大。一、二步驟回采時，采場頂板內拉應力隨跨度平緩增長?？紤]到頂板內拉應力與其最大承受拉應力間應保持一定的安全系數，可選擇一、二步驟采場跨度為4.5 m，三、四步驟采場跨度為4 m。

3.2 位移分析

采場圍巖位移隨著每步驟的開采，頂板位移極值也不斷變化著位置，見圖7～圖9。

由圖9可知：采場頂板位移隨采場跨度的增大，大致呈線性增長趨勢。且隨著開采的進行，每步驟間頂板位移的變化值均在3 cm左右，未出現瞬間變化過程。說明該方法開采過程中，沒有出現較大的破壞現象，而造成位移突然增大。

4 結論

本次研究從現采礦方案找出斷面小、開采順序不合理等不足，制定多種參數方案采用數值模擬的方法可知：不同采場跨度的下向進路膠結充填法，其頂板位移值平緩增長，未發生較大突變，頂板內拉應力值也未超過配筋充填體的抗拉強度。推薦一、二步驟采場跨度為4.5 m，三、四步驟采場跨度為4 m；礦山現分層高度為3.5 m，根據現場踏勘情況，邊幫情況較好，高度可以適當提高至4～4.5 m。本次研究成果的應用使得礦山多方面效益得到明顯提升。