陳慶坤

(1.紫金(廈門)工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門市 361016；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門市 361016)

0 引言

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是地下礦山開采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)能為礦山安全高效生產(chǎn)提供重要保障[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了大量研究。吳振坤等[4]建立了基于滿意度的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型，確定了最優(yōu)回采順序與采場跨度。歐任澤等[5]運(yùn)用3D-σ有限元分析軟件對(duì)不同埋藏深度的采場進(jìn)行穩(wěn)定性分析，優(yōu)化了采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大程度上依賴于礦山地質(zhì)條件和礦體賦存狀態(tài)[6]。

丘卡盧—佩吉銅金礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，工程地質(zhì)條件中等偏差。礦區(qū)斷裂構(gòu)造主要包括西斷層、東斷層、南斷層三組，三組斷層不同程度切穿礦體，對(duì)開采區(qū)域的穩(wěn)定性有較大影響。礦山設(shè)計(jì)采用下向進(jìn)路充填法開采，生產(chǎn)規(guī)模大，需在垂直方向上多個(gè)中段同時(shí)生產(chǎn)。由于開采強(qiáng)度高，地壓管理難度較大。為確保丘卡盧—佩吉銅金礦深部安全高效開采，根據(jù)目前礦山的工程地質(zhì)、巖石力學(xué)等基礎(chǔ)資料，運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)比不同方案的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)變化，對(duì)下向進(jìn)路充填法采場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以篩選最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為銅金礦深部生產(chǎn)提供科學(xué)保障。

1 工程概況

丘卡盧—佩吉銅金礦礦床位于阿爾卑斯—喜馬拉雅巖漿弧造山帶的塞爾維亞段，礦體賦存于下部安山巖中，為隱伏礦床，賦存標(biāo)高-20～-460 m，地表標(biāo)高約400 m，埋深430～865 m。礦體在空間上呈近直立的不規(guī)則橢球狀產(chǎn)出，礦體傾角為80°～90°，走向長約300 m，平均寬約150 m，上部礦帶的礦床成因類型為高硫淺成熱液型銅金礦床。

由于礦體走向較短，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；夭梢?，將礦體自上而下分成3 個(gè)采區(qū)。-140 m 以上為一采區(qū)，-260～-140 m 為二采區(qū)，-440～-260 m 為三采區(qū)。井下工程分為兩期建設(shè)，-260 m 水平以上為一期開采范圍，-260 m 水平以下為二期開采范圍。根據(jù)礦山初步設(shè)計(jì)及前期采礦方法研究，-140 m 中段以上礦體推薦采用下向進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，通過增設(shè)-50 m、-110 m 兩個(gè)分段強(qiáng)化開采，首采層為-55 m 分層、-85 m 分層和-115 m 分層，即3 層同時(shí)向下進(jìn)行開采。每個(gè)開采分層按盤區(qū)進(jìn)行回采，盤區(qū)間采用“隔一采一”的推進(jìn)順序，即先同時(shí)開采1 盤區(qū)、3 盤區(qū)和5 盤區(qū)，然后再同時(shí)開采2 盤區(qū)和4 盤區(qū)；盤區(qū)內(nèi)采用“隔三采一”的方式進(jìn)路式回采，回采結(jié)束后即對(duì)其進(jìn)行充填。

礦區(qū)內(nèi)斷層及破碎帶巖體質(zhì)量RMR 值為38～46，屬Ⅲ至Ⅳ類巖體，巖體質(zhì)量一般到差。巖體結(jié)構(gòu)分類結(jié)果表明，礦區(qū)巖體主要結(jié)構(gòu)面為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面以西斷層、東斷層、南斷層為主，Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育在各巖組中，控制了巖體的穩(wěn)定性和巖塊強(qiáng)度，斷層和破碎帶對(duì)礦體整體穩(wěn)定性影響較大。

2 數(shù)值模擬方案

佩吉銅金礦成礦區(qū)域較為集中，礦體圍巖形態(tài)較為復(fù)雜，且二者間存在較多分支、復(fù)合、交叉、嵌入等產(chǎn)狀變化，簡單的理論分析難以精確計(jì)算采場穩(wěn)定。隨著礦山巖石力學(xué)理論以及數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為分析地下采場穩(wěn)定性行之有效的方法。

2.1 三維模型構(gòu)建

本次研究的范圍為礦山-140 m 中段以上礦體，考慮到介質(zhì)連續(xù)性問題，三維實(shí)體模型包括上部礦帶礦體、頂?shù)装鍑鷰r及較為精確的地表形態(tài)，其三維建模過程如圖1 所示。取模型尺寸為礦體尺寸的3～5 倍，建立的數(shù)值計(jì)算模型尺寸為X×Y×Z=1600m×1200m×1200 m。由于模擬范圍較大，為避免過多的單元造成計(jì)算緩慢，建模過程中采用核心小網(wǎng)格、外圍大網(wǎng)格的方式確立網(wǎng)格尺寸，將擬分析的礦體單元?jiǎng)澐譃? m，外圍礦體單元為10～20 m，圍巖單元為20～50 m。建立的模型單元總數(shù)約為60 萬單元。單元?jiǎng)澐钟珊诵牡酵鈬?，密疏有序過渡，單元?jiǎng)澐殖尸F(xiàn)結(jié)構(gòu)合理、層次分明的格局。三維模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示，-115 m 分層與-140 m 分層相對(duì)位置關(guān)系如圖3 所示。

圖1 研究范圍三維模型

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分

圖3 -115 m 分層與-140 m 分層相對(duì)位置關(guān)系

2.2 基本假定與邊界約束

（1）基本假定。根據(jù)當(dāng)前探礦資料建立實(shí)體模型，不考慮離主要研究對(duì)象較遠(yuǎn)的分支礦體，忽略礦體兩翼尖滅部分和細(xì)小結(jié)構(gòu)面的影響；每一種巖體和充填體都視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)[7-8]；假定充填體完全接頂，即充填體與巖體之間沒有間隙。

（2）邊界約束。模型底部采用固定約束，約束三向位移，四周采用水平位移約束，固定軸向位移，模型最頂部為自由面[5]；在Z軸負(fù)方向施加重力加速度，大小為9.81 m/s2；由于礦山地表地形為平緩的丘陵，且前期未進(jìn)行原巖應(yīng)力測試工作，故在應(yīng)力場的初始化過程中只考慮重力的影響。

2.3 力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算分析的準(zhǔn)確性很大程度上取決于礦巖體基本力學(xué)參數(shù)是否準(zhǔn)確。本次模擬采用的礦巖力學(xué)參數(shù)為結(jié)合鉆孔取樣試驗(yàn)和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算所得，見表1。

表1 巖體和充填體的力學(xué)參數(shù)

2.4 回采方案

此次數(shù)值模擬主要是對(duì)不同寬度的進(jìn)路進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以確定適合進(jìn)路法開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)?？紤]到進(jìn)路法開采的特點(diǎn)，數(shù)值模擬范圍可確定為深部原巖下的采場和深部充填體下的采場。根據(jù)此前采礦方法和工藝研究，-55 m 分層、-85 m分層和-115 m 分層同時(shí)首采，然后由此3 層向下進(jìn)行開采，直至-140 m 以上礦體回采結(jié)束，可知-115 m 分層為原巖覆蓋下開采深度最大的首采分層，而-140 m 分層則為充填體覆蓋下進(jìn)路法開采的最深回采分層。據(jù)此確定-115 m 分層和-140 m 分層為此次數(shù)值模擬的研究對(duì)象。

根據(jù)國內(nèi)外礦山開采的工程經(jīng)驗(yàn)，在同等圍巖和力學(xué)載荷條件下，進(jìn)路法采場穩(wěn)定性主要由進(jìn)路寬度決定，此次數(shù)值模擬采用4m×5m 進(jìn)路、5m×5m進(jìn)路和6m×5m 進(jìn)路三種方案進(jìn)行研究（見表2）。

6年間，她早已適應(yīng)了繁雜、瑣碎和艱辛的人事財(cái)務(wù)工作，深知肩上的責(zé)任重大，對(duì)待每項(xiàng)工作都精細(xì)入微，全局職工都親切的稱她“小游會(huì)計(jì)”。

表2 回采方案

3 數(shù)值模擬分析

開采擾動(dòng)必然導(dǎo)致采場圍巖發(fā)生移動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力變化，按前述制定的回采方案模擬回采過程，從采場豎向位移、最大主應(yīng)力和塑性區(qū)3 個(gè)方面對(duì)不同回采方案的采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由于回采方案中采充步驟比較復(fù)雜，本文主要對(duì)-115 m分層和-140 m 分層最后一步開采的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 -115 m 分層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1.1 采場位移分析

如圖4 所示，最后一步進(jìn)路回采之后，4m×5m進(jìn)路的豎向位移為4.8 cm，5m×5m 進(jìn)路的豎向位移為5.0 cm，6m×5m 進(jìn)路的豎向位移為6.3 cm。4m×5m 進(jìn)路方案和5m×5m 進(jìn)路方案的豎向位移相差不大，而6m×5m 進(jìn)路方案則大于前兩個(gè)方案。因此，從豎向位移來看，首采分層采用4m×5m或5m×5m進(jìn)路方案優(yōu)于6m×5m 進(jìn)路方案。

圖4 -115 m 分層最后一步開采位移云圖

3.1.2 采場應(yīng)力分析

礦體開采后，應(yīng)力重新分布，應(yīng)力場發(fā)生了較大的改變，-115 m分層最大主應(yīng)力云圖如圖5所示。不同進(jìn)路方案中，首采層第一步開挖后采場圍巖均未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力。隨著開采不斷推進(jìn)，采動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，至最后一步回采結(jié)束，各方案中均產(chǎn)生不同大小的拉應(yīng)力。4m×5m 進(jìn)路拉應(yīng)力的最大值約為0.17 MPa，5m×5m 進(jìn)路拉應(yīng)力的最大值為0.18 MPa，6m×5m 進(jìn)路拉應(yīng)力的最大值可達(dá)0.32 MPa。據(jù)此，從拉應(yīng)力分布來看，首采層采用4m×5m 或5m×5m 進(jìn)路優(yōu)于6m×5m 進(jìn)路。

圖5 -115 m 分層最后一步開采應(yīng)力云圖

3.1.3 采場塑性區(qū)分析

圖6 -115 m 分層最后一步開采塑性區(qū)分布

3.2 -140 m 分層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 采場位移分析

由位移云圖可知，-140 m 分層最后一步開采后，各方案位移均有所增加，4m×5m 進(jìn)路的豎向位移為6.1 cm，5m×5m進(jìn)路的豎向位移為6.5 cm，6m×5m 進(jìn)路的豎向位移為7.0 cm。從位移的角度來看，進(jìn)路寬度越大，豎向位移量越大，但相差不大，采場寬度小的穩(wěn)定優(yōu)勢略有顯現(xiàn)。

圖7 -140 m 分層最后一步開采位移云圖

3.2.2 采場應(yīng)力分析

-140 m 分層最大主應(yīng)力云圖如圖8 所示。區(qū)別于-115 m 分層模擬開采，回采-140 m 分層前，其上部分層已充填結(jié)束，頂板為高強(qiáng)度充填體。因此，采場開采后應(yīng)力場與-115 m 分層有差別，最主要的特征在于3 個(gè)方案中的最大主應(yīng)力值相差很小，最大者為6m×5m 進(jìn)路，拉應(yīng)力值為0.28 MPa，最小者則為4m×5m 進(jìn)路，拉應(yīng)力值為0.21 MPa，二者僅差0.07 MPa。

圖8 -140 m 分層最后一步開采應(yīng)力云圖

當(dāng)揭露原巖材料參數(shù)下降，而充填體的強(qiáng)度和變形參數(shù)較大時(shí)，充填體下回采的采場穩(wěn)定性顯然更高。進(jìn)路寬度不同的3 個(gè)方案拉應(yīng)力差距較小，且均小于充填體抗拉強(qiáng)度。與此同時(shí)，采場寬度小幅增加，拉應(yīng)力并未出現(xiàn)急劇增加，對(duì)采場穩(wěn)定性的影響不大。從這一角度分析，4m×5m 進(jìn)路并沒有顯著的采場穩(wěn)定優(yōu)勢，因此，充填體下開采布置6m×5m 進(jìn)路應(yīng)為可行方案。

3.2.3 采場塑性區(qū)分析

圖9 為-140 m 分層最后一步開采塑性區(qū)分布圖。由圖9 可知，由于頂板介質(zhì)不同，-140 m 分層最后一步開采塑性區(qū)分布與原巖下開采并不相同。-140 m 分層開采的3 個(gè)方案間差別較?。?m×5m進(jìn)路中僅在采場側(cè)幫產(chǎn)生少量破壞單元，影響范圍為開采空間2 m 內(nèi)；進(jìn)路寬度增加至5 m，仍為零星散布塑性單元；進(jìn)路寬度增加至6 m 時(shí)，采場周邊破壞單元數(shù)量微增，分布范圍也僅為開采空間2～3 m 內(nèi)。以上分析表明，充填體的強(qiáng)度指標(biāo)和變形性能優(yōu)于原巖，適當(dāng)增加進(jìn)路寬度，塑性單元數(shù)量和范圍并未發(fā)生劇增。

圖9 -140 m 分層最后一步開采塑性區(qū)分布

3.3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化綜合分析

3.3.1 首采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

從位移分析和拉應(yīng)力分析結(jié)果來看，4m×5m進(jìn)路和5m×5m 進(jìn)路的豎向位移量與最大拉應(yīng)力相差不大，進(jìn)路寬度增加至6 m 時(shí)，豎向位移量和最大拉應(yīng)力明顯增大，且拉應(yīng)力值大于充填體的抗拉強(qiáng)度，不利于采場自穩(wěn)。4m×5m 進(jìn)路和5m×5m 進(jìn)路周邊均出現(xiàn)零星破壞單元，塑性范圍分布在回采空間4 m 內(nèi)，采場單元破壞率較低；6m×5m進(jìn)路中破壞單元呈連片聚集趨勢，塑性范圍也增至6～8 m，采場單元破壞率為7.7%，采場穩(wěn)定性明顯劣于前兩個(gè)方案。綜合分析，首采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不宜大于5m×5m。

3.3.2 續(xù)采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

從位移分析結(jié)果來看，進(jìn)路寬度越大，豎向位移量越大，但3 個(gè)方案的豎向位移量差距較?。粡睦瓚?yīng)力分析結(jié)果來看，3 個(gè)方案的最大拉應(yīng)力均小于充填體抗拉強(qiáng)度，6m×5m 進(jìn)路的最大拉應(yīng)力為0.28 MPa，其拉應(yīng)力值已非常接近充填體抗拉強(qiáng)度極限值，因此，進(jìn)路寬度不宜超過6 m；3 個(gè)方案中，在高強(qiáng)充填體下開采，采場周邊均僅出現(xiàn)少量塑性區(qū)，開采空間2～3 m 內(nèi)產(chǎn)生少量破壞單元。

高強(qiáng)充填體下適當(dāng)增減采場寬度對(duì)采場穩(wěn)定性影響有限：4m×5m 進(jìn)路寬度雖小，但并未轉(zhuǎn)化為顯著的采場穩(wěn)定優(yōu)勢；6m×5m 進(jìn)路的拉應(yīng)力已接近充填體抗拉強(qiáng)度的極限值。綜合分析，續(xù)采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不宜大于6m×5m。

4 結(jié)論

根據(jù)礦山采礦方案，綜合利用CAD-Dimine-Midas GTS 建立了礦山三維數(shù)值模型，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，對(duì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論。

（1）首采層（-115 m 分層）數(shù)值模擬分析表明，4m×5m 進(jìn)路和5m×5m 進(jìn)路幾乎具有等同的穩(wěn)定性優(yōu)勢，6m×5m 進(jìn)路穩(wěn)定性明顯劣于前兩個(gè)方案，因此，首采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不宜大于5m×5m。

（2）續(xù)采層（-140 m 分層）數(shù)值模擬分析表明，高強(qiáng)充填體下適當(dāng)增減進(jìn)路寬度對(duì)采場穩(wěn)定性影響有限，4m×5m 進(jìn)路僅有較小的穩(wěn)定性優(yōu)勢，6m×5m 進(jìn)路的拉應(yīng)力已接近充填體抗拉強(qiáng)度的極限值，因此，續(xù)采層采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不宜大于6m×5m。