甲瑪銅多金屬礦盤區合理回采順序動態模擬研究

關士良，陳國良，王志修，解聯庫

(1.西藏華泰龍礦業開發有限公司，拉薩 850200；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

礦山大規模的開采行為，導致應力場的重新分布，產生新的應力集中區和卸壓區，致使巷道和采場周圍巖體變形和破壞[1]，極易誘發災害，危及人員與設備安全，影響礦山正常有序的生產。地壓活動與采礦方法、結構參數、開采強度、回采順序緊密相關，尤其是回采順序對采場二次應力的分布影響較大。合理的回采順序，能使巖體開挖聚集的能量得到及時有效釋放，避免開采過程中的應力集中，防止大規模突發性地壓活動的現象[2]。因此，在客觀因素一定的情況下，尋找合理的礦體回采順序是解決采場穩定性的關鍵。

目前，在回采順序優化方面，國內外學者主要從工程與巖體穩定性角度進行研究，比較常用的方法有：遺傳和神經網絡算法、數值分析法、混合整數規劃法、工程類比法、相似模擬試驗法等[3-8]。如紅透山銅礦、程家溝鐵礦與金山店鐵礦的回采順序優化[9-11]等。 由于數值分析方法方便靈活、準確度較高，因此得到了廣泛的應用。

本文以甲瑪多金屬礦地下二期開采工程為依托，采用數值分析方法，運用FLAC3D軟件，針對盤區不同回采方案帶來的應力、變形分布規律進行分析研究，得出最佳回采順序方案，為礦山安全高效回采提供科學指導。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦位于高山區的分水嶺地帶，地質構造作用較強烈，巖體破碎程度較高，巖體風化帶厚度較大。礦體賦存空間海拔標高3 700～4 550 m，厚度10～50 m，礦石和圍巖為堅硬—較堅硬巖組。礦體頂、底板巖層節理、裂隙的發育程度隨深度增加而迅速降低；其完整程度漸增。工程地質勘探類型屬第三—四類，工程地質復雜程度屬中等型。

目前礦區礦床總體為露天—地下聯合開采，露天采礦主要包括牛馬塘、銅鉛山和角巖三個露天采場，其中，牛馬塘、銅鉛山已回采完畢。牛馬塘露天坑及角巖露天坑位于二期地下開采工程的上部。

2 盤區回采規劃方案

根據礦體賦存條件及現場工程布置情況，考慮中深孔嗣后充填采礦法的生產工藝并遵循卸壓式開采理論，在水平方向上確定間隔回采與連續回采兩種回采順序方案。

地下二期開采區域礦體分成一標段、二標段及三標段，其中一標段開采高度范圍為4 460～4 490 m，平面上分六個盤區。二標段及三標段開采高度范圍為4 420～4 490 m，平面上均分成四個盤區，豎向分為3個中段。盤區規劃方案見圖1。

圖1 盤區回采規劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of panel mining planning

回采順序總體上為自下而上，即先開采一標段(4 460～4 490 m)、二標段及三標段的4 420～4 440 m中段，再開采二、三標段4 440～4 465 m中段，最后開采二、三標段4 465～4 490 m中段，具體盤區回采規劃方案見表1。

盤區內礦體分為礦房與礦柱，采用“隔三采一”的回采方式，礦房和礦柱分步回采寬度均為15 m，先采礦房，后采礦柱，每步采場回采完畢后礦房采用尾砂膠結充填；礦柱采用尾砂或廢石充填。盤區間預留盤區柱，除一標段4～5盤區及二、三標段4～5盤區的盤區柱寬為20 m外，其余盤區柱寬均為15 m。

3 數值模型建立

3.1 工程地質模型及監測點構建

建立合理的三維模型是進行數值模擬和結果分析的基礎和前提。根據甲瑪銅礦體的賦存條件及開采現狀，建立了三維計算模型，模型X方向為2 680 m，Y方向為1 500 m，上部邊界為實際地表，模型主要包括所選定的地下二期開采區域、牛馬塘、角巖兩個露天采場及地下二期開采區域對應的地表影響范圍，模型共劃分為448 809個單元，83 676個節點。同時為了更為清晰地闡述地下二期開采過程中的盤區采場、盤區柱應力及位移情況，有針對性地選取不同位置的變形監測點、應力監測點及典型剖面，以最大程度地反映不同回采順序開采過程及開采后的動態響應。工程地質力學模型及具體監測點見圖2。

3.2 數值模型參數的確定

甲瑪銅多金屬礦的礦巖屬于脆性硬巖，采場開挖與充填使圍巖處于加壓卸載重復過程，導致圍巖主要進入塑性破壞狀態，因此計算采用彈塑性本構模型，屈服準則為摩爾-庫倫準則，其主要物理力學參數見表2所示。

表1 盤區回采規劃方案Table 1 Panel mining planning

表2 工程巖體物理力學特性指標Table 2 Physical and mechanical characteristic indexes of engineering rock mass

4 模擬結果分析

4.1 回采順序對圍巖穩定性的影響

由圖3可知，在開采過程中不同回采順序對各盤間柱監測點的影響程度不同。監測點3布置在一標段3、4盤區4 475 m水平的盤間柱中，在一標段開采時，該盤間柱受到不同盤區的開采應力在不斷變化，隨著該標段1～4盤區的采空和充填，盤間柱上的監測點出現明顯的應力集中現象，但最終隨著充填完畢應力處于穩定狀態，說明盤間柱能夠承載上覆巖層重量，具有強力支撐作用；監測點4布置在三標段2、3盤區4 475 m水平的盤間柱中，在一標段及二、三標段的4 420～4 440 m中段及4 440～4 465 m中段開采時，該監測點受到開采的擾動較小，最大及最小主應力隨之變化較小，在4 465～4 490 m中段開采時，隨著采空及充填的進行，盤間柱上的監測點出現明顯的應力集中現象，對頂板具有強力支撐作用，盤間柱強度發揮明顯作用，并未達到巖體的抗剪及抗壓強度，盤間柱不會出現嚴重的破壞現象。

圖4可以看出，在地下二期回采后，間隔回采與連續回采兩種回采方式在回采完畢后，最小主應力轉移和重分布范圍相對較大，對于整個區域應力場的改變較大，主要體現在開采區域的頂板區域中出現一定高度的卸壓，卸壓的直接結果導致頂板出現一定程度的移動；同時可以看出，在盤間柱及周邊均產生一定程度的應力集中，說明整個地下二期回采完畢后對覆巖的主要支撐結構為盤間柱及周邊圍巖；在盤間采場內部，受到膠結充填體和非膠結充填體的作用，充填區域成為應力釋放的空間，其支撐作用相對有限，對于覆巖的支撐作用主要靠盤間柱及盤間周邊的圍巖實現。

4.2 回采順序對頂板穩定性的影響

在一標段及二、三標段的盤區頂板區域設置了兩條豎向監測點。通過豎向監測平面的兩條監測線的不同階段統計，結果從圖5可以看出，位于一標段4盤區頂板的不同高度的監測點的沉降量在3個回采階段過程中均出現間隔回采的沉降量小于連續回采的沉降量，但兩者差距不大。間隔回采與連續回采在1號監測點處沉降量基本相同，隨著高度增加間隔回采與連續回采沉降量均減小，由于受到充填體的充填作用影響，最終該處監測點的沉降量趨于穩定；3標段3盤區頂板監測點也呈現出同樣的特點，隨著三個不同階段的上向回采，開采區域對應頂板的不同高度處的下沉量不斷增加。連續回采方在3個階段回采過程中沉降量均小于間隔回采方式，在第3階段回采后，1號監測點連續回采方式最大沉降量與間隔回采方式最大沉降量相差大約10 mm。從4 420～4 490 m開采區域對應的頂板不同高度處變形方面可以看出，在回采順序上，間隔回采方式優于連續回采方式。

圖2 工程地質力學模型及監測點布置圖Fig.2 Engineering geological mechanical model and monitoring point layout1、2-布置在采場頂板豎向監測點(示意圖見c)；3、4-布置在盤間柱內的主應力監測點

圖3 盤間柱豎向應力-計算時步關系曲線圖Fig.3 Relationship curve of panel column vertical stress-calculation time step①表示一標段及二、三標段的4 420～4 440 m中段開采過程；②、③表示二、三標段4 440～4 465 m中段及4 465～4 490 m中段開采過程

(a)間隔回采(4 480 m水平切面) (b)連續回采(4 480 m水平切面)圖4 地下二期開采區域最小主應力分布圖Fig.4 Minimum principal stress distribution map of underground second-stage mining area

(a)一標段4盤區頂板監測剖面 (b)三標段3盤區頂板監測剖面圖5 盤區頂板監測剖面不同高度—沉降量關系圖Fig.5 Diagram of different height-settling amount of the roof monitoring section of the panel

5 結論

1)礦體回采過程中，礦柱及回采范圍周邊的應力集中區域逐漸擴大，應力集中程度大幅度提高。間隔回采方案盤間柱的主應力變化更優于連續回采方案的主應力變化，間隔回采易于采場頂板管理，其安全性控制優于連續回采方案。

2)在三個回采階段的盤間內部，受到膠結充填體和非膠結充填體的作用，所有充填區域成為應力釋放的空間，其支撐作用相對有限，對于覆巖的支撐作用主要靠盤間柱及盤區周邊的圍巖實現。

3)分析兩種回采順序方案在開采區域內引起的地壓變化及頂板移動等關鍵指標表明，在對盤區礦體進行回采時，間隔回采方案比較合理。