劉澤乾，侯克鵬，楊八九

（1.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個舊 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

礦產(chǎn)作為不可再生資源，在社會經(jīng)濟發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位，如何高效安全的開采殘礦成為了礦山的一大難題［1-2］，在殘礦開采過程中受到諸多因素影響，如何在保證安全的條件下，對殘礦進行回采對礦山企業(yè)有著深遠的意義［3-4］?；夭蓺埐蛇^程中，為了更多、更好的采出礦石，一般采取充填的方式對對采空區(qū)進行處理。但是隨著礦體開采深度及范圍的不斷增加，環(huán)境不斷惡化［5］。同時該如何安全、高效、經(jīng)濟的開采充填體周邊的礦體，也是礦山企業(yè)關(guān)心的問題［6］?，F(xiàn)如今,在礦體開采、殘礦回收、回采順序優(yōu)化方面，較常用的方法有：工程類比法、相似模擬試驗法、遺傳和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、數(shù)值分析法等［7-11］。

2 礦體概況

13-2礦體位于老廠礦田南部竹葉山突起的東南側(cè)，處于卡房分礦東部凹陷帶的上凹處，夾持于近東西向斷裂前坡山斷裂和拉里黑斷裂之間，礦體標(biāo)高1830～2025m，范圍246線至256線間，礦體沿花崗巖接觸帶（多個凹槽）呈北東向分布，經(jīng)坑、鉆工程揭露，252線至256線為一個塊段（屬2號凹礦體）、246線至249線為一個塊段。礦體內(nèi)穿有多層花崗巖和大理巖脈,部分為層狀、似層狀礦體。礦石為灰黑色致密塊狀硫化礦，部分由于受斷裂影響呈破碎狀或粉狀硫化礦，礦體和夾層大理巖中等穩(wěn)固，F(xiàn)=6～10，礦體上下盤均為花崗巖，風(fēng)化蝕變帶穩(wěn)固性較差，F(xiàn)=3～7, 給開采帶來了極大的困難。

3 計算模型的建立

（1）計算域。根據(jù)云錫卡房錫礦13-2礦體253～254地質(zhì)剖面線的實際形態(tài)及與周邊圍巖之間的相互關(guān)系，建立三維有限元模型。模型長、寬、高分別為470m、350m、280m，即礦體走向取470m，礦體傾向取350m，高程方向取280m，共計241740個節(jié)點，56480個20節(jié)點三維等參單元。由于本次模擬13-2礦體距地表大約200m左右，礦體頂部為大理巖，利用高度與載荷的關(guān)系，對模型上部施加5.34MPa的均布荷載。實體模型單元網(wǎng)格劃分及礦體模型分別見圖1、2所示。

（2）邊界約束：受采動影響，離采區(qū)較近時擾動較大，遠離采區(qū)擾動較小，可將數(shù)值模型離采區(qū)較遠的邊界處位移視為零。因此，計算時分別在模型的底部、側(cè)面施加位移約束。

（3）地應(yīng)力設(shè)置：由于地應(yīng)力相對比較復(fù)雜，云錫公司又沒有實測數(shù)值。然而，大量實測工程表明，深度在400m左右是地應(yīng)力的一個分水嶺，深度400m以下水平和垂直應(yīng)力基本趨于一致（λ=0.8～1.2），13-2礦體埋藏深度約有200m左右，以水平應(yīng)力稍大于垂直應(yīng)力(λ=1.15)為計算方案。

圖1 13-2礦體253～254剖面三維有限元計算機模型網(wǎng)格剖分圖

圖2 13-2礦體253～254剖面礦體簡化后形態(tài)分布圖

4 分析方案

結(jié)合礦體的產(chǎn)狀及賦存條件，本文首先考慮采用空場法進行開采，但由于礦石品位較高、圍巖穩(wěn)固性較差及花崗巖倒轉(zhuǎn)等情況，為了提高回采率及礦體開采的穩(wěn)定性，本文又采用了充填法開采模擬研究與空場法進行對比分析，力求找出適合本礦體開采的較優(yōu)方案。

4.1 空場法開采

方案1、采場沿礦體走向布置，每隔16m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

方案2、采場沿礦體走向布置，每隔12m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

4.2 采用上向充填進路式采礦，進路寬度4m，高度4m

方案3、進路隔一采一，充填后開采另一條進路并進行充填。

方案4、進路隔三采一，充填后開采另外的進路并進行充填。

本次計算過程采用的礦體和圍巖參數(shù)都進行了大量的分析和折減，由于取樣過程中無法取到礦體上盤穩(wěn)定性較差的花崗巖，結(jié)合課題組對云錫公司內(nèi)部周邊礦山花崗巖的認(rèn)識對用于模擬的參數(shù)進行了優(yōu)化選取。模擬分析中所采用的力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)列表

5 計算結(jié)果分析

5.1 空場法開采方案采場頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性研究

方案1、采場沿礦體走向布置，每隔16m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

方案2、采場沿礦體走向布置，每隔12m留一條寬10m的連續(xù)間柱支撐頂板。

模擬結(jié)果見圖3～6。

圖3 方案一、二開采后頂板及周邊花崗巖拉應(yīng)力分布圖

圖4 方案一、二開采后上盤及花崗巖鉛錘位移分布圖

圖5 方案一、二開采后上盤及周邊花崗巖安全率分布圖

圖6 方案一、二開采后上盤及周邊花崗巖破壞域分布圖

綜合以上對空場法開采方案頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性的分析，從應(yīng)力分布結(jié)果來看：礦體開采后，上盤及周邊花崗巖處于拉應(yīng)力狀態(tài)，兩種方案開采后上盤及周邊花崗巖都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力分別為2.966和2.510；遠遠超出了折減以后頂板花崗巖自身的抗拉強度值0.673。從位移分布模擬結(jié)果來看：礦體開采后，方案一、二頂板位移分別為243、225，這對于有限元小變形軟件而言是比較大的位移，此時頂板容易出現(xiàn)變形、垮塌和冒落。從安全率分布結(jié)果來看：采場寬度為16、12時最小安全率分別為0.912、0.937，遠小于臨界狀態(tài)，說明此時頂板及側(cè)幫花崗巖會出現(xiàn)大面積破壞。從塑性區(qū)分布結(jié)果來看：礦體開采后，頂板及邊幫花崗巖均處于塑性狀態(tài)，且連片現(xiàn)象較為明顯，這是由于開采體上盤、邊幫花崗巖穩(wěn)定性較差且采動范圍過大造成的，這種情況下頂板極易出現(xiàn)破壞。所以，采用空場法進行開采是不可行的無法滿足要求。

5.2 上向充填進路式采礦方案頂板、周邊圍巖穩(wěn)定性研究

方案3、進路寬度4m，高度4m，進路隔一采一，充填后開采另一條進路并進行充填（圖7）。

方案4、進路寬度4m，高度4m，進路隔三采一，充填后開采另外的進路并進行充填（圖8）。

模擬結(jié)果見圖7～19。

圖7 方案3進路隔一采一

圖8 方案4進路隔三采一

圖9 方案3、方案4進路形成后頂板最大主應(yīng)力分布圖

圖10 方案3、方案4進路形成后頂板安全率分布圖

圖11 方案3、方案4進路形成后頂板垂直位移分布圖

圖12 方案3、方案4進路形成后頂板塑性區(qū)分布圖

圖13 方案4進路形成后頂板塑性區(qū)分布圖

圖14 方案4充填后頂板硫化礦最大主應(yīng)力分布圖

圖15 方案4充填后硫化礦頂板垂直位移分布圖

圖16 方案4充填體安全率分布圖

圖17 方案4充填后硫化礦頂板安全率分布圖

圖18 方案3充填體塑性區(qū)分布圖

圖19 方案4充填后硫化礦頂板塑性區(qū)分布圖

綜合以上對上向充填進路式采礦方案的綜合分析，整個分層充填結(jié)束后，充填體受到壓應(yīng)力為23.464MPa，說明充填體在支護過程中起到明顯的作用；分層充填結(jié)束后，頂板硫化礦出現(xiàn)了1.156 mpa的拉應(yīng)力，小于折減以后硫化礦的自身抗拉強度值約為2.143MPa，此時頂板相對穩(wěn)定。從位移、安全率分布結(jié)果來看：頂板硫化礦最大位移僅為32mm，充填體和頂板的最小安全率分別為1.191、1.206，均大于臨界狀態(tài)。從塑性區(qū)分布結(jié)果來看：充填體上表面大部分進入了塑性狀態(tài)，這充分說明充填體已經(jīng)進入承載狀態(tài)，所以說充填體雖然不能完全阻止圍巖移動，但可以最大限度的限制圍巖的變形和移動；充填完成后頂板塑性區(qū)較少，僅在局部有零星的塑性區(qū)出現(xiàn)，沒有連片現(xiàn)象，此時頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，采用進路式膠結(jié)充填采礦能極大的減弱上盤及周邊圍巖的變形，整體來看，采用進路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

5.3 回采順序的確定

在確定了采礦方法及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，針對253、254線厚大礦體的賦存條件，對礦體的開采順序進行了多方案計算分析。由于礦體四周為穩(wěn)定性較差的花崗巖，如果采場沿走向布置，在開采礦體與花崗巖接觸部位時，花崗巖暴露時間較長，不利于采場穩(wěn)定，而采用垂直走向布置，只是分層或者進路迎頭與花崗巖接觸，此時花崗巖暴露時間相對較短，利于采場充填前的穩(wěn)定，所以采場建議垂直走向布置，在此前提下對礦體回采順序進行以下方案的分析：

方案一：采場垂直走向布置，礦體從西往東開采。

方案二：采場垂直走向布置，礦體從東往西開采。

方案三：采場垂直走向布置，礦體從中間向兩翼退采。

從各回采順序方案頂板應(yīng)力、位移、安全率數(shù)據(jù)（表2）及三個方案回采順序開挖過程應(yīng)力、位移、安全率變化曲線（圖20～22）來看，針對13-2礦體253、254線厚大部分礦體的回采順序可以靈活布置，考慮到上向分層或者進路的長度，一般控制在25m以內(nèi)為宜。如采用中間向兩翼退采，則進路相對較短，所以建議還是從礦體一側(cè)往另外一側(cè)順序開采，考慮到花崗巖的實際情況，為了防止進路迎頭垮塌，建議最后揭露穩(wěn)定性較差的花崗巖附近的礦體，所以最終的回采順序?qū)⑹欠桨付翰蓤龃怪弊呦虿贾茫V體從東往西開采。

表2 回采順序各方案頂板應(yīng)力、位移、安全率結(jié)果表

圖20 不同回采順序方案頂板拉應(yīng)力變化曲線圖

圖21 不同回采順序方案頂板垂直位移變化曲線圖

圖22 不同回采順序方案頂板安全率變化曲線圖

6 結(jié)論

通過對卡房13-2礦體253～254線礦體回采方案、采礦方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序的模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）卡房分礦13-2礦體花崗巖倒轉(zhuǎn)的礦體，采用空場法進行開采是不可行的，無法滿足安全要求。

（2）卡房13-2花崗巖倒轉(zhuǎn)部分礦體，采用進路式膠結(jié)充填采礦能極大的減弱上盤及周邊圍巖的變形，整體來看，采用進路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

（3）13-2礦體253～254線較優(yōu)的回采順序是采場垂直走向布置，礦體從東往西開采。