銅礦峪銅礦拉底方式優化研究

夏長念， 段文權， 范文錄

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

自然崩落法是一種在自重和地應力的作用下形成持續崩落的采礦方法，一旦底部拉底形成后，上部礦巖不需要強制爆破即可實現持續崩落，因而極大地簡化了生產工藝環節，是一種在生產成本上唯一能和露天開采相媲美的安全、高效、節能的地下采礦方法[1-2]，也是當前國際上特厚大礦體的首選采礦方法。20世紀80年代末，中條山有色金屬公司為了開采銅礦峪銅礦這一國內Cu品位0.5%～0.6%特大型貧礦資源，引進了電耙出礦自然崩落法技術，并由多家設計研究單位和高校共同攻關，在90年代初實現了成功應用。但是隨著生產中段向下延伸，原巖應力大幅度增加，從而導致自然崩落法生產中底部結構工程破壞嚴重、安全條件差、成本升高等，嚴重影響產量的提升和礦山的發展。為減少拉底過程中的應力集中，保證底部結構的穩定，在二期工程設計中對拉底方式進行了詳細的優化研究。

2 礦山概況

銅礦峪銅礦位于山西省垣曲縣境內，屬于大型斑巖銅礦，4#和5#礦體是銅礦峪礦床的主要礦體，占總儲量的90%以上。兩個礦體在平面上為巨大透鏡狀，沿傾斜為似板狀。礦體主要賦存于變質火山雜巖體內，其產狀與圍巖基本一致，傾向北西，傾角40°～60°；兩礦體在空間上平行展布，其間距比較穩定，多為110～130m。含礦雜巖體賦存于銅礦峪變質火山巖組中的絹云母石英片巖層中。

銅礦峪銅礦自1989年開始拉底以來，一直采用自然崩落法開采；一期工程設計規模為400萬t/a，于2000年達到設計生產規模。二期工程設計規模為600萬t/a，共包含530m和410m兩個中段[3]，于2013年達到設計生產規模。隨著近幾年的持續大規模生產，530m中段的礦量持續減少，為保證礦山的產量的穩定過渡，當前正在進行新中段的設計工作。

3 拉底方式簡介

3.1 后拉底

這種方式是先進行出礦水平的工作，即出礦巷道、出礦點、聚礦槽(道)形成以后，再進行上面的拉底工作。后拉底在早期的自然崩落法礦山大量使用，其優點是礦塊可以更快地投入生產，在拉底水平不需安排專門為拉底用的溜井等倒運措施，礦石在拉底水平壓實的可能性非常??；其缺點是在拉底水平和出礦水平之間的巖體需處于高應力和多變化的應力狀態，支護和加固必須在拉底集中應力帶形成前完成。銅礦峪銅礦二期工程最初就是后拉底方式。

3.2 預拉底

拉底工作在出礦水平開始之前完成，即拉底工作全部完成以后再進行出礦水平開拓，或出礦水平掘進工作面滯后拉底工作面一段距離進行。該拉底方式的優點是出礦水平開拓在應力釋放環境中進行，拉底是獨立于出礦水平進行的，出礦水平的支護要求低于后拉底方式。其缺點是由于下部的聚礦槽等沒有形成，拉底需要有單獨的礦石處理工程；需要從出礦水平來掘進聚礦槽到上部的破碎巖石中，安全性差；破碎的礦石可能壓實放礦點，造成堵塞。這些因素往往使初始生產進展緩慢。

3.3 前進式拉底

該拉底方式的拉底鑿巖爆破是在部分開拓好的出礦水平之上進行的。出礦水平部分開拓好的工程可以僅僅是出礦巷道，也可以是出礦巷道加出礦點。聚礦槽則始終是在拉底以后的應力釋放區進行。這種方式實質上是后拉底和預拉底之間的折衷方案。其優點：與后拉底相比，出礦水平破壞少；和預拉底相比，崩落能更快地投入生產，減少了拓時間；由于礦堆壓實而形成誘導應力殘余的可能性??；雖然仍需要為拉底增加礦石轉運的工程，但比后拉底增量較少。

4 數值模擬分析

銅礦峪銅礦在二期工程拉底中由于對應力集中重視不足，導致底部結構出現了大面積的破壞，局部甚至出現桃形礦柱體的整體坍塌，給礦山修復工作帶來了極大困難。因此，根據當前國際上幾種主要的拉底方式特點，結合銅礦峪銅礦對拉底速度的實際需求，研究提出采用前進式拉底方式替代后拉低方式，并對兩種方式拉底過程中的應力狀態進行了模擬分析。

4.1 數值模型的建立

本次模擬主要研究自然崩落法底部結構應力應變狀態，采用FLAC3D軟件建立了數值模型，其走向長450m，垂直走向長300m，高度200m。出礦水平和拉底水平間距10m，拉底高度15m；出礦穿脈間距30m，出礦進路采用“人”字形布置，間距15m；出礦進路斷面為3.6m×3.4m，拉底巷道斷面為3.4m×3.4m，聚礦槽上底為14m×10m，下底為14m×3.6m，高10m。整體模型如圖1所示。

圖1 整體模型

4.2 模型的輸入參數

1)原巖應力

根據礦區原巖應力的測試結果：銅礦峪銅礦區最大主應力的傾角(與水平面的夾角)大部分較小，位于近水平方向，說明礦區的地應力以水平構造應力為主；礦區最大主應力的方向表現出較好的一致性，都為北偏東向，平均為N56.03°E。最大主應力、中間主應力和最小水平主應力值隨埋深變化的回歸特性方程為

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σ1=1.11+0.039 9H

(1)

σ2=0.51+0.020 4H

(2)

σ3=0.13+0.006 4H

(3)

式中：σ1——最大主應力，MPa；

σ2——中間主應力，MPa；

σ3——最小主應力，MPa；

H——測點埋深，m。

經計算，原巖應力的輸入參數見表1。

表1 原巖應力輸入參數

2)巖石力學參數

FLAC 3D軟件采用有限差分等數值計算方法，根據巖石力學參數的試驗結果，計算后確定的巖體力學強度參數見表2。

表2 FLAC 3D輸入的巖石力學參數

4.3 模擬過程

采礦工程的力學特點是巖體力學行為與開采歷史和開采過程有關，針對銅礦峪銅礦二期工程底部結構，建立的后拉底數值模型的模擬過程為：

第1步驟：未采動，原巖應力狀態；

第2步驟：掘進出礦穿脈、拉底巷道；

第3步驟：掘進出礦進路；

第4步驟：施工放礦漏斗(同拉底施工相同，分臺階施工)；

第5步驟：進行拉底(按工程實際情況，分臺階施工)。

前進式拉底方式數值模型模擬的過程前3步驟同后拉底方式，第4和第5步驟與后拉底方式互換。

5 計算結果對比分析

5.1 桃形礦柱拉應力分析

圖2和圖3分別為后拉底和前進式拉底中桃形礦柱的最小主應力云圖。從圖中可以看出，前進式拉底桃形礦柱最小主應力為5.8MPa，后拉底桃形礦柱上最小主應力值達到6.6MPa。因此前進式拉底可以明顯改善桃形礦柱的應力狀態。

圖2 后拉底方式桃形礦柱的最小主應力云圖

圖3 前進式拉底桃形礦柱的最小主應力云圖

5.2 聚礦槽間柱拉應力分析

圖4和圖5分別為后拉底和前進式拉底中聚礦槽間柱體的最小主應力云圖。從圖中可以看出，前進式拉底過程中間柱體所受最小主應力最大值小于1.5MPa，后拉底過程中間柱體間柱體所受最小主應力最大值小于5.7MPa，聚礦槽前后間柱體所受最大拉應力變化明顯。

圖4 后拉底方式聚礦槽間柱體最小主應力云圖

圖5 前進式拉底聚礦槽間柱體最小主應力云圖

5.3 最大主應力分析

后拉底方式在聚礦槽形成后，開始進行拉底，隨著空區體積增大，聚礦槽前后兩側的支撐體應力集中現象尤為明顯，最大達到54MPa，隨著拉底的逐步施工，產生應力集中區域應力隨之釋放，最大主應力云圖如圖6所示。

圖6 后拉底方式聚礦槽前后支撐體最大主應力云圖

前進式拉底時，由于先拉底，待拉底前鋒線之后30m的區域才開始形成聚礦槽，此時聚礦槽前后兩側的支撐體最大主應力為44MPa，模擬分析結果如圖7所示。

圖7 前進式聚礦槽前后支撐體最大主應力云圖

從以上兩種方式拉底過程中底部結構的最大主應力變化來看，前進式拉底過程中底部結構的最大主應力明顯下降，這主要是由于前進式拉底方式中，隨著拉底線超前推進，底部結構中的應力集中區域出現在更前方，具體如圖7所示，圖中①、②、③為工程形成順序。而后拉底方式中，由于拉底前鋒線滯后于聚礦槽的形成時間，因此拉底時應力集中區出現在了聚礦槽的形成區域，具體如圖8所示，圖中①、②、③為工程形成順序。

圖7 前進式拉底過程中應力集中情況

圖8 后進式拉底過程中應力集中情況

6 結論

本文通過對前進式拉底進行模擬分析顯示：桃形體受最大拉應力5.8MPa，而后拉底時桃形體上受最大拉應力達6.6MPa；前進式拉底聚礦槽前后間柱體所受最大拉應力近1.5MPa，而后拉底時聚礦槽前后間柱體所受最大拉應力達5.7MPa，聚礦槽前后間柱體所受最大拉應力變化明顯；后拉底過程中底部結構最大主應力為54MPa，前進式拉底過程中底部結構最大主應力為44MPa，拉底過程中底部結構承受的最大主應力也有明顯改善。從模擬結果可知前進式拉底在高應力環境下有明顯優勢，對維護底部結構穩定性有利，但由于目前后拉底方案仍能滿足生產需求，因此研究認為在未來應力逐漸增大情況下應考慮采用前進式拉底。