關(guān)鑫磊

（山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司）

玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)原采用盤(pán)區(qū)中深孔分段出礦采礦法回采，該方法雖可極大提高崩礦效率，但由于礦體傾角變緩，上盤(pán)為蝕變巖，崩礦后上盤(pán)易塌落，故采礦貧化率高，出礦難度大，且在回采過(guò)程中，作業(yè)條件差，很不安全，已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。隨著設(shè)備的更新和開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步，在充填系統(tǒng)建成后，礦區(qū)全部采用上向水平分層進(jìn)路式充填采礦法，該方法礦石損失率較小，可以有效控制地壓，但存在采場(chǎng)生產(chǎn)能力低、生產(chǎn)成本高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題［1-2］。另外，隨著山東黃金玲瓏金礦開(kāi)采深度增加和開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大，采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)逐漸顯著，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度和巖體破碎程度也越來(lái)越嚴(yán)重［3-4］。因此，需要對(duì)礦房回采順序及回采步驟進(jìn)行優(yōu)化。

研究回采順序及回采步驟對(duì)工程巖體穩(wěn)定性的影響，實(shí)際上是從巖石力學(xué)角度進(jìn)行回采順序的優(yōu)化研究。采礦工程巖石力學(xué)計(jì)算方案的制定不但要考慮采場(chǎng)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)等材料因素，更重要的是要注意工程因素，即采礦過(guò)程或開(kāi)挖步驟。大量實(shí)踐表明，對(duì)于不同的回采順序和開(kāi)挖過(guò)程，圍巖具有不同的載荷變化［5-7］。

采礦工程的穩(wěn)定是個(gè)動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，始終受控于采礦活動(dòng)，不同的采礦方法、工程環(huán)境顯現(xiàn)出的穩(wěn)定類(lèi)型也不同，采用傳統(tǒng)的研究方法很難得到定量解答。數(shù)值模擬的方法是一種快捷的分析方法，對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的工程進(jìn)行多方案、多目標(biāo)的計(jì)算分析，數(shù)值模擬對(duì)礦山這類(lèi)復(fù)雜動(dòng)壓工程的研究很有效［8-11］。因此，采用有限差分法對(duì)上向充填法不同開(kāi)采順序所引起的采場(chǎng)圍巖力學(xué)行為進(jìn)行模擬，最終得到最優(yōu)的開(kāi)采順序和工藝。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

東風(fēng)礦區(qū)內(nèi)的礦脈主要表現(xiàn)為沿?cái)嗔哑扑閹С涮罱淮纬傻奈g變帶。主礦脈為171#脈，礦脈長(zhǎng)2 600 m，寬300 余米，走向?yàn)镹E60°～70°，傾向SE，傾角為35°～45°，礦體模型如圖1 所示。出露標(biāo)高一般為150～200 m，最大標(biāo)高為260 m。礦區(qū)地層簡(jiǎn)單，主要為新太古代膠東巖群郭格莊組，其巖性以黑云變粒巖及斜長(zhǎng)角閃巖為主，夾磁鐵石英巖。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，控礦斷裂主要有破頭青斷裂和招平斷裂。礦體賦存于沿?cái)嗔哑扑閹С涮罱淮纬傻奈g變帶內(nèi)，礦體的頂、底板圍巖為玲瓏、文登超單元花崗巖，屬堅(jiān)硬—高度堅(jiān)硬巖石，工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型范圍

根據(jù)玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)際，確定計(jì)算模型的幾何范圍：礦體走向長(zhǎng)度為500 m，垂直礦體走向長(zhǎng)度400 m，豎直方向?yàn)?770～-570 m，高度為200 m。模擬區(qū)域礦體平均傾角為40°，礦體真厚度取43 m。采場(chǎng)尺寸：長(zhǎng)度為15～20 m，寬度為6 m，高度為3.2 m，所建模型如圖2所示。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)東風(fēng)礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及室內(nèi)試驗(yàn)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果，參考《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—92）和《巖土工程勘察規(guī)范》，采用折減系數(shù)法確定巖體工程力學(xué)參數(shù)。巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

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玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)中最大主應(yīng)力為水平方向且垂直礦體走向。模擬中取最大主應(yīng)力方向?yàn)閆方向，另一個(gè)水平應(yīng)力方向?yàn)閄方向，豎直為Y方向。

2.3 數(shù)值模擬方案

要模擬每一分層每個(gè)采場(chǎng)的采充過(guò)程，步驟太多，出于定性模擬的考慮，本次模擬對(duì)回采的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，每個(gè)方案只模擬1 層的開(kāi)挖，方案1 從上盤(pán)到下盤(pán)順序開(kāi)采，采一充一；方案2先采一側(cè)進(jìn)路，采一充一，開(kāi)采完之后再開(kāi)采另一側(cè)的進(jìn)路；方案3 隔一采一，2條進(jìn)路采完之后馬上充填，最后2條采場(chǎng)和穿脈一起充填。每條采場(chǎng)的開(kāi)挖和充填一步完成，由此來(lái)模擬不同礦房的開(kāi)挖充填順序?qū)M(jìn)路力學(xué)狀態(tài)及采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，如表2所示。

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3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 最大主應(yīng)力σ1分布特征

方案1 在第一步開(kāi)挖結(jié)束后，在采場(chǎng)兩幫的上部明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值為7.0 MPa 左右，而在第一步充填結(jié)束后，應(yīng)力升高區(qū)明顯向周?chē)涮铙w轉(zhuǎn)移，應(yīng)力較大區(qū)域比開(kāi)挖之前有所減小，所充填的礦房頂板局部應(yīng)力值為5.5 MPa，在后面的每次開(kāi)采之后，采場(chǎng)幫部都會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；充填后，巖體的應(yīng)力又會(huì)重新分布，如圖3 所示。

方案2 在第一步回采過(guò)程中，應(yīng)力開(kāi)始向采場(chǎng)頂部和右?guī)娃D(zhuǎn)移，出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力值為6.0～6.5 MPa，充填之后，應(yīng)力集中區(qū)的范圍明顯減小。隨著回采繼續(xù)，應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移，繼續(xù)充填，集中應(yīng)力又得到釋放，應(yīng)力開(kāi)始重新分布，如圖4 所示。

方案3 中，在2 個(gè)采場(chǎng)開(kāi)采結(jié)束之后，采場(chǎng)上部、幫部以及中間的礦體都會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力大小在6.8 MPa 左右，充填結(jié)束之后，應(yīng)力集中區(qū)減小，中間礦體所受到的應(yīng)力也逐漸減小，在6.0 MPa左右，具體情況如圖5所示。

方案1、方案2、方案3 最終回采結(jié)束后的最大壓應(yīng)力值分別為6.2，6.8，6.25 MPa，比原巖應(yīng)力值低。方案1中，在采場(chǎng)靠近礦體一側(cè)的上幫部位出現(xiàn)明顯應(yīng)力升高區(qū)，局部應(yīng)力值為4.0～6.0 MPa。方案2 中，應(yīng)力增高區(qū)也集中在靠近礦體一側(cè)的幫部，應(yīng)力值為4.6～6.5 MPa。方案3 中，應(yīng)力升高區(qū)與方案1、2相同，應(yīng)力值為4.0～6.2 MPa。在這3 個(gè)方案中，充填

體的應(yīng)力都比較小，說(shuō)明充填體的抗壓能力相對(duì)于 礦巖來(lái)說(shuō)較弱，具體情況如圖6所示。

3.2 最小主應(yīng)力σ3分布特征

各方案σ3分布如圖7 所示。方案1、方案2 和方案3回采結(jié)束時(shí)，靠近礦體上下盤(pán)附近都有不同程度的應(yīng)力集中，且方案3在兩采場(chǎng)中間的充填體附近應(yīng)力集中較明顯，局部應(yīng)力值較大。方案1在回采結(jié)束后礦房附近的拉應(yīng)力值為1.01 MPa左右，方案2在第四步回采結(jié)束后采場(chǎng)附近的拉應(yīng)力值為1.21 MPa 左右，方案3在第四步回采結(jié)束后采場(chǎng)附近的拉應(yīng)力值為0.94 MPa。因此，從拉應(yīng)力分布范圍與大小比較，方案3最優(yōu)。

3.3 垂直位移分布特征

無(wú)論方案1、方案2 還是方案3，隨著開(kāi)采范圍的增加，頂板最大位移量和位移發(fā)生區(qū)域都明顯增加，各方案在最終回采結(jié)束時(shí)，下沉量都會(huì)慢慢變小并趨于穩(wěn)定，且由于各中段是由下而上進(jìn)行回采的，礦房的底板均為充填體，因此各采場(chǎng)底板會(huì)出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象。每個(gè)方案在回采時(shí)都在頂板中央設(shè)置了4 個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果如圖8 所示。其中方案1 的頂板最大下沉位移量為11.2 mm，方案2 的最大位移量為14.71 mm，方案3 的最大位移量為12.14 mm。最大位移量和位移區(qū)域優(yōu)劣程度由大到小依次為方案2、方案3、方案1。

3.4 各方案塑性區(qū)分布特征

回采順序不同，各方案塑性區(qū)的位置和區(qū)域也在不斷變化，充填后，原來(lái)出現(xiàn)塑性區(qū)的地方又恢復(fù)為彈性區(qū)。其中，方案1出現(xiàn)較大區(qū)域塑性區(qū)的時(shí)間是在第一步回采結(jié)束后和第三步開(kāi)挖結(jié)束后，在第一步回采后，塑性區(qū)出現(xiàn)在礦體的右上和左下2個(gè)部位，而在第二步回采后，塑性區(qū)明顯增大。方案2 在第一步和第二步開(kāi)挖之后，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在采場(chǎng)的上部，且塑性區(qū)的范圍較小。方案3的塑性區(qū)出現(xiàn)范圍較大，在開(kāi)挖一步之后，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在兩采場(chǎng)中間的礦體部分，到第三步開(kāi)挖后，塑性區(qū)明顯增大，且開(kāi)始延伸到充填體和采場(chǎng)上部，各方案塑性區(qū)分布如圖9所示。因此根據(jù)塑性區(qū)的范圍大小，可以看出方案2優(yōu)于方案3和方案1。

3.5 不同回采順序能量釋放率

礦石在回采過(guò)程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，巖層變形過(guò)程中會(huì)伴隨能量釋放。為此，對(duì)不同開(kāi)采順序的采場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立巖石破壞能量準(zhǔn)則，計(jì)算回采過(guò)程中的能量釋放，得到不同回采順序的能量釋放率，如圖10 所示。在開(kāi)采初期，能量釋放率與回采高度或回采率呈線性關(guān)系，而后期增長(zhǎng)速度加快，對(duì)于不同的回采方案，能量釋放率的大小不同，變化過(guò)程也各不相同。通過(guò)比較各個(gè)方案可以看出，方案3 的能量釋放率最大，方案2 次之，方案1 的能量釋放率最低，因此穩(wěn)定性由壞變好的順序是方案3→方案2→方案1，即采用隔一采一方案的回采穩(wěn)定性最差，先開(kāi)采單側(cè)采場(chǎng)，再開(kāi)采另一側(cè)采場(chǎng)方案的穩(wěn)定性次之，從上盤(pán)到下盤(pán)順序回采方案穩(wěn)定性最好。

3.6 回采順序綜合比較

根據(jù)以上對(duì)回采過(guò)程中不同礦房的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、頂板垂直位移、采場(chǎng)礦房中央位移及回采過(guò)程中塑性區(qū)的分布進(jìn)行分析，考慮到影響回采安全的各個(gè)因素的權(quán)值，權(quán)值大小依次為回采過(guò)程中不同礦房頂板拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、塑性區(qū)分布和頂板位移量。結(jié)合上述分析，各方案回采順序優(yōu)化最終結(jié)果為方案3 和方案1 優(yōu)于方案2。再考慮到施工過(guò)程以及充填效率，方案1優(yōu)于方案3和方案2。

4 結(jié) 論

結(jié)合玲瓏金礦東風(fēng)礦區(qū)的實(shí)際情況，利用FLAC3D巖土分析軟件對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了3 種回采順序方案，即方案1（從上盤(pán)到下盤(pán)順序開(kāi)采）、方案2（先開(kāi)采單側(cè)采場(chǎng)）和方案3（隔一采一），得到以下結(jié)果：

（1）方案1、方案2、方案3 最終回采結(jié)束后的最大壓應(yīng)力值分別為6.2，6.8，6.25 MPa，比原巖應(yīng)力值低。方案1中，在采場(chǎng)靠近礦體一側(cè)的上幫部位出現(xiàn)明顯應(yīng)力升高區(qū)；方案2 中，應(yīng)力增高區(qū)也集中在靠近礦體一側(cè)的幫部；方案3 應(yīng)力升高區(qū)與方案1、2 相同。

（2）無(wú)論方案1、方案2 還是方案3，隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，頂板最大位移量和位移發(fā)生區(qū)域都明顯擴(kuò)大，各方案在最終回采結(jié)束時(shí)，下沉量都會(huì)慢慢變小并趨于穩(wěn)定。

（3）綜合頂板拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、塑性區(qū)分布、頂板位移量和能量釋放率等因素的分析，同時(shí)考慮到施工過(guò)程以及充填效率的問(wèn)題，選用從上盤(pán)到下盤(pán)順序開(kāi)采，采一充一，即按照方案1 的開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)采。