某銅礦采場結構參數優化

胡建釗

(金誠信礦山工程設計院有限公司, 北京 100071)

0 引言

某銅礦現采用露天開采,屬傾斜中厚礦體,隨著露天資源的不斷消耗,露天開采剩余服務年限也隨之大為減少,考慮資源接替,須盡快實現地下開采達產。

地采設計生產規模為265萬t/a。礦山采用混合井＋斜坡道開拓,礦石混合井位于礦山西翼,設置兩套獨立的提升系統,并兼作進風井,主提主要擔負礦石提升任務,副提主要擔負人員升降、材料下放、部分設備升降任務。斜坡道位于礦山南側,為人員、設備和材料主要通道。廢石混合井位于礦山東翼,形成一套罐籠-箕斗互為平衡的提升系統,主要擔負深部開采廢石提升任務,同時擔負少量人員上下,并兼作進風井。采出礦石經鏟運機裝入自卸卡車,卸入主溜井,經箕斗井提升至地表。

礦體向近東北向、傾向南,平均傾角81°,平均厚36 m。根據礦體賦存條件和礦體特征,設計采用分段空場嗣后充填法回采。分段空場嗣后充填法具有安全性好,生產效率高和井下作業環境好等優點而被廣泛應用,但是因采場結構參數選擇不合理或因采場跨度過于保守導致生產效率低、出礦成本高,或因跨度選擇過于激進導致安全性較低等問題。因此,優化采場結構參數對礦體安全回采至關重要。合理的采場結構參數不但能提高采場生產效率,而且能提高礦石回采率,減少貧化率。

1 礦山概況

1.1 開采技術條件

礦區地表水和地下水主要由大氣降水補給,基巖透水性較弱,地下水接收大氣降水補給能力較差,雨后地表徑流迅速排出礦區。巖石堅硬,基本不含水,未受斷裂影響地段形成相對隔水層,礦區水文地質條件簡單。

礦體賦存于張村巖組淺變質巖系和火山巖系中,頂、底板主要巖性為絹云母千枚巖、硅化千枚巖、砂質千枚巖、火山碎屑巖、熔巖和次火山巖,坑道圍巖穩固性較好,大部分坑道在掘進中不需要支護,局部在坑道交叉部位易引起地應力集中與重力分布,影響圍巖的穩定性,易產生坑道變形甚至破壞。當坑道走向與巖層走向近于一致時,分布于巖層中的坑道頂板,與節理、裂隙組合成不穩定的結構體,當其直徑小于坑道跨度時、易發生頂板的掉塊、脫落,而在構造、層理順沿脈及其影響下,有冒頂和坑道壁垮塌地質災害(北山區段較為嚴重),冒頂高度0.5～3.0 m,以及出現滴水現象,礦床工程地質條件屬中等類型。

1.2 項目背景

為迅速投產并達產,須盡快開展地下開采試驗,積累地下開采經驗,提高試驗采場對銅供礦量及供礦品位的調控能力,改善生產供礦較為被動的局面,保障全年銅礦石供礦計劃及品位任務的完成。總結中深孔采礦生產組織管理經驗,為迅速達產提供可靠依據。

本研究對某銅礦采用FLAC3D數值模擬軟件,模擬不同采場結構參數時開采過程中采場應力、位移、塑性區等參數的變化規律,確定合理的采場結構參數,不僅可以為銅礦露天轉地下實現安全開采提高保障,對原設計的結構參數也進行了調整優化,為地下開采迅速達產提供堅實的基礎,有效減緩露采資源消耗,延長露天開采服務年限,可以在保證安全的前提下提高資源回采率,達到安全與經濟的有效平衡。研究結果不僅對礦山企業的長久發展具有重大的現實意義,還可以為類似條件下銅礦的采礦設計及理論分析提供參考依據。

2 采場結構參數數值模擬

2.1 巖石力學試驗

礦山主要巖體為絹云母化千枚巖、砂質千枚巖、含礦砂質千枚巖、含礦絹云母化千枚巖和斑巖等幾種巖體,對以上巖體進行鉆芯取樣,并加工成實驗室試驗標準試樣,試樣如圖1所示。

圖1 標準試樣

通過巖石力學試驗,得到了不同取樣區域巖石的相關物理參數和力學參數,這些參數為地下開采的區域穩定性研究、采場結構參數優化等提供了基礎數據。

水分含量的測定：參考GB 5009.3—2013《食品安全國家標準 食品中水分的測定》；氨基酸態氮的測定：參考GB/T 5009.39—2003《醬油衛生標準的分析方法》[15]。

在地下開采試驗實施過程中將密切關注露天和地下間隔離的保安礦柱和礦柱頂部區域,在有條件的地方進行適當的礦柱應力監測和頂板離層監測。

2.2 模型力學參數的選擇

根據礦山現場調查、巖石力學試驗結果和充填體強度試驗結果,參考《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014),經過折減程序計算出巖體和充填體力學參數,見表1。

表1 巖體和充填體力學參數

2.3 模擬方案

采場垂直走向布置,中段高度為60 m,采場寬度為30 m,采場長為礦體厚度,分為礦房、礦柱兩步驟回采。一步驟回采礦柱,采用28 d達到4 MPa強度的充填體充填;二步驟回采礦房,采用14 d達到0.5 MPa強度的充填體充填采空區。采用3個方案進行模擬分析:方案1為礦柱跨度為15 m,礦房跨度15 m;方案2為礦柱跨度12 m,礦房跨度18 m;方案3為礦柱跨度10 m,礦房跨度20 m。

2.4 模型建立

根據地質條件和采場結構參數利用FLAC3D軟件建立適當的模型,整個模型共分為4個部分,分別為上盤圍巖、礦體、充填體和下盤圍巖。數值模擬只考慮采場中礦房、礦柱的回采和充填過程,模型中的圍巖和充填體都視為各向同性連續均質材料,忽略開拓運輸巷道和采切巷道對采場穩定性的影響。建立的三維模型尺寸為290 m×300 m×300 m,模型共劃分866 016節點和839 040單元。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3 計算結果分析

模擬結果主要根據應力、位移和塑性區情況進行分析,從而判斷采場穩定性。

3.1 位移分析

(1)礦房頂板和兩側充填體垂直位移分析。圖3為各方案垂直位移云圖,圖4為礦房跨度與采場頂板、兩側充填體垂直位移關系圖。

圖3 各方案垂直方向位移云圖

圖4 礦房跨度與采場頂板、兩側充填體最大垂直位移關系

從圖3和圖4可以看出,礦房開挖后,隨著礦房跨度的增加,礦房頂板最大垂直位移呈線性增加。當礦房跨度由15 m增加至18 m時,頂板最大垂直位移增加1.71 mm;由18 m增加至20 m時,頂板最大垂直位移增加1.27 mm。礦房跨度的增加量和頂板最大垂直位移增加量直接相關。隨著礦房跨度的增加,兩側充填體最大垂直位移變化較明顯。當礦房跨度由15 m增加至18 m時,兩側充填體最大垂直位移減少了5 mm;由18 m增加至20 m時,兩側充填體最大垂直位移增加了10 mm。

(2)兩側充填體水平位移分析。圖5為各方案水平方向位移云圖,圖6為礦房跨度與兩側充填體最大水平位移關系圖。

圖5 各方案水平方向位移云圖

圖6 礦房跨度與兩側充填體最大水平位移關系

由圖5和圖6可得出,各方案中隨著礦房跨度的增加,左側充填體的水平位移量增加明顯,相對而言不穩定。而右側充填體因相鄰礦房尚未開采,所以充填體水平位移受礦房跨度影響不明顯。

3.2 應力分析

對礦房進行回采后,一步驟充填體承受的應力將重新分布,充填體應力變化如圖7所示。

由圖7可以看出最大應力出現在一步驟充填體的頂、底板,應力集中區分布在一步驟充填體頂、板的中間部位。相比而言礦房開挖后,一步驟充填體的應力顯著增加,因此回采中應盡可能充填接頂,同時確保充填體強度,為礦房開采創造良好條件。不同方案中,一步驟充填體頂、底板最大應力表現出隨著礦房跨度的增大而增加的規律。開采時應加強對一步驟充填體頂、底板的監測。

圖7 礦房跨度與一步驟充填體最大應力關系

3.3 塑性區分布規律分析

采場內塑性區分布能更直觀地反映二步驟礦房開挖過程中對兩側充填體和礦房圍巖的穩定性影響。圖8為礦房跨度與塑性區體積關系圖。

圖8 礦房跨度與塑性區體積關系

在礦房開挖過程中,一步驟充填體是反映和決定采場穩定狀態的主要結構單元,直接承受采場上下盤圍巖的作用力。一步驟充填體的穩定性決定了采礦的安全和礦房采空區的穩定。通過了解采用垂直走向布置的分段空場嗣后充填采礦法開采的各類礦山,發現生產中一步驟充填體完整穩定是采場穩定的關鍵因素,充填體完整穩定性的破壞會直接導致礦房采空區力學狀態的失穩,進而引起垮塌等安全生產事故。采空區破壞的不斷累積很可能引起整個礦區的失穩,所以充填體的穩定性分析也是礦區穩定性分析的重要一環。在回采過程中各方案礦房頂板均存在少量的塑性區,對礦房整體的穩定性影響不大。

3個方案左側充填體均出現了塑性破壞區,根據各方案左側充填體塑性區的體積來排列采場的穩定性順序。礦房跨度為15 m和18 m的方案中塑性體積相對變化較小,增長緩慢,沒有發生貫通,開采過程是安全可靠的;礦房跨度為20 m時塑性體積增幅較大,說明在該尺寸下,充填體已經發生了嚴重損壞,采場整體穩定性可能產生較大損壞。

4 結論

根據銅礦賦存條件和礦體特征及采礦方法特點,分別設計了方案1(礦柱跨度15 m,礦房跨度15 m)、方案2(礦柱跨度12 m,礦房跨度18 m)和方案3(礦柱跨度10 m,礦房跨度20 m)。并借助FLAC3D數值模擬軟件對3種方案進行模擬計算分析,得出以下結論。

(1)當礦房跨度為15 m時,礦房頂板和兩側充填體最大垂直位移量較小,充填體最大水平位移量也較小;充填體頂、底板最大應力增量最小;左側充填體出現了塑性區,塑性區未貫穿整個充填體,采場處于較為穩定的狀態。

(2)當礦房跨度為18 m時,礦房頂板最大垂直位移增量相對較小,充填體最大垂直位移反而有一定減小;左側充填體最大水平位移也增量較小,右側充填體最大水平位移也有一定減小;充填體頂、底板最大應力增量不大,應力數值變化平緩;左側充填體新增塑性區和方案1相差不大,塑性區未貫穿整個充填體,開采過程是安全可靠的。

(3)當礦房跨度為20 m時,左側充填體最大垂直和水平位移增加較明顯,充填體頂、底板最大應力增量較大,左側充填體新增塑性區體積急劇增加,并且局部已貫穿整個充填體,說明充填體已經發生了嚴重破壞,開采過程十分危險。

綜上所述,從礦房頂板和充填體的位移、應力和塑性區分布來看,方案2(礦柱跨度12 m,礦房跨度18 m)既能保證采場的穩定性,又最大程度上減少了膠結充填的成本且兼顧了采場的生產能力,一定程度上節約了礦山安全投入費用,降低了礦石貧化率。