李旺

摘要：采場頂板的穩(wěn)定是保障井下作業(yè)人員安全和降低礦石貧化損失的關(guān)鍵。針對該礦山氧化礦采場頂板不穩(wěn)固、回采容易脫落等問題，采用了膏體充填法取代了原先的分層崩落法。為有效銜接兩種方法的回采工藝，依據(jù)護頂層厚度、進路斷面尺寸和支護鋼架間距，提出4種護頂層回采設(shè)計參數(shù)，并采用數(shù)值分析方法對其采場護頂層的回采方案展開優(yōu)化研究。數(shù)值計算分析表明：采用鋼支架方案時，從其頂板的位移值和塑性區(qū)均顯示進路為3m×3m，護頂層厚度1m、鋼架間距0.5m為最優(yōu)回采方案，不僅能夠維護采場的基本穩(wěn)定，同時大大提高了資源利用率，為礦山的安全生產(chǎn)提供了良好的作業(yè)環(huán)境，也為礦山帶來良好的經(jīng)濟效益，對同類采場作業(yè)環(huán)境的回采設(shè)計提供了一定參考。

關(guān)鍵詞： 護頂層回采;結(jié)構(gòu)面調(diào)查;采場穩(wěn)定;方案優(yōu)化

Abstract： The stability of stope roof is the key to ensure the safety of underground operators and reduce ore dilution loss. In view of the problems of unstable roof and easy falling off during stoping， paste filling method is adopted instead of the original slicing and caving method. In order to effectively connect the two methods of mining technology， according to the thickness of the top protection layer， the size of the access section and the support steel frame spacing， four mining design parameters of the top protection layer are proposed， and the numerical analysis method is used to optimize the stope top protection mining scheme. The numerical calculation and analysis show that： when adopting the steel support scheme， the displacement value and plastic zone of the roof show that the drift is 3m×3m， the thickness of the protective top layer is 1m， and the spacing between steel frames is 0.5m. It can not only maintain the basic stability of the stope， but also greatly improve the utilization rate of resources， which provides a good working environment for the safety production of the mine， and also brings good economic benefits for the mine and provides a certain reference for mining design of similar stope working environment.

0? 引言

提高資源利用率、降低礦石損失貧化和維護采場作業(yè)環(huán)境的安全，是每一位采礦人員追求的目標(biāo)，然而地下工程環(huán)境差異較大，往往存在很多采場圍巖破碎、不穩(wěn)固，在回采過程中容易出現(xiàn)冒落，危害采場作業(yè)人員安全。安全高效生產(chǎn)是眾多礦山亟待解決的重要課題，礦山管理者必須從多個維度制定不同的回采方案，合理的回采順序，合理的回采參數(shù)，其是保障礦山采場穩(wěn)定性的重要基石[1-4]。在地下巖體經(jīng)過工程開挖擾動后，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，高應(yīng)力環(huán)境下，深部巖體的應(yīng)變能高度聚攏，動力災(zāi)害日趨明顯[5-7]。目前，在針對維護采場穩(wěn)定性方面，眾多學(xué)者對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序的優(yōu)化做了大量研究。如李家卓等[8]應(yīng)用計算機模擬、理論分析、現(xiàn)場實測等綜合研究方法，分析了煤層群開采條件下失穩(wěn)機理，再現(xiàn)了不同開采順序下的底板動壓回采巷道圍巖力學(xué)環(huán)境;羅周全等[9]為了充分回收礦產(chǎn)資源，綜合分析該礦山開采現(xiàn)狀、礦山壓力及礦床地質(zhì)概況，提出三種采場結(jié)構(gòu)初步方案，采用三種采場結(jié)構(gòu)初步方案，并對其進行優(yōu)化得到了采場處最有利的力學(xué)狀態(tài)和采場變化時的力學(xué)響應(yīng)特征;安龍等[10]針對高應(yīng)力環(huán)境下的深厚礦體，基于產(chǎn)能、技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)要求，提出了4種礦柱回收順序和5種合理的礦房回采順序;劉欽等[11]為研究三山島金礦采場穩(wěn)定性，采用ANSYS有限元數(shù)值模擬，計算出不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的應(yīng)變和圍巖應(yīng)力狀況，并研究礦柱在采礦過程中的力學(xué)作用，有效揭示了回采過程中礦柱的應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征;王臣[12]通過對無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算與分析，得出了結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合的賦存狀態(tài)，采場地壓，礦山鑿巖，出廠設(shè)備等因素影響，從而使采場結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)化，確保了礦山可持續(xù)發(fā)展。

基于上述對采場參數(shù)和回采工藝的研究，不難看出，在維護采場穩(wěn)定的情況下，在回采順序和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方面作了較多研究，然而，結(jié)合采場護頂層設(shè)計和支架共同作用下的回采工藝相對較少，文章基于此出發(fā)點。不僅考慮采場的“維穩(wěn)”，同時注重提高礦石的回收率，改善礦山礦產(chǎn)資源的利用率，間接提高了礦山的經(jīng)濟價值。為此，文中將采用FLAC3D對不同回采方案和采場護頂層設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化與分析，優(yōu)選出適合于礦山的回采方案與采場護頂層留設(shè)參數(shù)，對同類礦山的采場設(shè)計具有較好的參考價值。

1? 礦山采場工程概況

該礦山1#礦體上部氧化礦屬不穩(wěn)固礦體，以氧化礦為主，含有少量硫化礦，氧化礦結(jié)構(gòu)疏松，采礦作業(yè)過程中礦巖整體強度低。1#礦體賦存在礦山廠背斜南東翼下石炭統(tǒng)擺佐組中上部粗晶白云巖和灰色灰?guī)r中，大致順層產(chǎn)出，走向45～50°，傾向南東，傾角45～55°，平均厚度12.45m。礦石工業(yè)類型主要為混合礦和氧化礦兩大類，氧化礦又進一步分為土狀氧化礦和混合型氧化礦兩類。土狀氧化礦分布于1800m標(biāo)高以上，混合型氧化礦分布于1934～1844m標(biāo)高之間，混合礦分布于1884m標(biāo)高以下。鉛鋅品位在18%以上。

該礦上部氧化礦前期使用分層崩落法回采，末采分層分別為1964m以及1934m（圖1所示），因氧化礦疏松和下向式分層崩落法產(chǎn)能低、貧化損失大以及采礦成本高等，氧化礦已全部停止使用分層崩落法進行回采，取而代之使用安全系數(shù)較高、貧化損失小、機械化程度高的膏體充填采礦法，該采礦方法可有效維護圍巖穩(wěn)定，減少圍巖移動和防止采空區(qū)大面積冒落。

2? 采場巖體結(jié)構(gòu)面空間分布統(tǒng)計分析

結(jié)構(gòu)面情況的差異是區(qū)別巖體不同結(jié)構(gòu)面的重要標(biāo)志，是巖體工程地質(zhì)特性千變?nèi)f化的根源。結(jié)構(gòu)面越多，被它們所切割而成的巖塊就越多;結(jié)構(gòu)面的組數(shù)越多，巖塊的幾何形態(tài)就越復(fù)雜，巖體則越破碎。在巖體中，結(jié)構(gòu)面往往按照它們的生成關(guān)系，構(gòu)成一定的組合，呈有規(guī)律的分布，它們既有成組發(fā)育的特點，又有一定的分散性，而且各組結(jié)構(gòu)面在其規(guī)模和發(fā)育程度，如數(shù)量、密度等也常常很不平衡。在經(jīng)受多次構(gòu)造運動后，巖體中的結(jié)構(gòu)面更呈現(xiàn)出既有規(guī)律又極其復(fù)雜的空間分布狀態(tài)。為了確定巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育的組數(shù)和各組結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，掌握結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律，采用極點等密圖法進行結(jié)構(gòu)面得統(tǒng)計分析，根據(jù)極點等密圖統(tǒng)計的結(jié)果尋找優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。對現(xiàn)場實測的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)用Rocscience Dips V5.103生成走向玫瑰花圖和極點等密度圖見圖2～圖3，根據(jù)節(jié)理極點密度等值線圖確定的優(yōu)勢節(jié)理組及其產(chǎn)狀。從統(tǒng)計結(jié)果看，白云巖發(fā)育有一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為：傾向在225～243°之間，傾角在85～88°之間。結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢傾角較大，對礦柱和圍巖的穩(wěn)定極為不利。

3? 護頂層回采方案優(yōu)化模型的建立

3.1 基本假設(shè)

在上部空區(qū)崩落的情況下，在預(yù)留護頂層下通過進路回采礦體，進路回采后采用鋼架進行支護，當(dāng)進路回采后，需拆除鋼架進行充填。由于這一采礦過程的復(fù)雜性，在實際三維力學(xué)建模過程中，為了模型的計算精度以及可靠，需對模型做適當(dāng)?shù)暮喕?，但簡化不會影響工程計算的實質(zhì)問題。

3.2 模型的建立

①計算域：為了滿足計算需要和保證計算精度，并根據(jù)研究范圍大小，本次計算模型尺寸設(shè)置為150m×100m×90m，即垂直礦體走向方向取150m（x方向），沿礦體走向方向取100m（y方向），垂直方向取90m （z方向，1890～1980m），重點分析礦山廠6號至8號勘探線之間1932m高程下氧化礦體在開采過程預(yù)留不同護頂層厚度時的安全性與可靠性。結(jié)合礦山實際，利用高度與載荷的關(guān)系，對模型上部施加覆巖重量的均布荷載。對于上部崩落空區(qū)，由于有限差分發(fā)模擬崩落空區(qū)的較難，因此在實際模擬過程中，先將上部空區(qū)開挖，計算平衡后，再以較低崩落散體巖體力學(xué)參數(shù)進行賦值計算，依此來模擬上部崩落空區(qū)散體對護頂層的重力荷載。模型共計294934個節(jié)點，281820個單元。三維力學(xué)模型圖見圖4所示;上部崩落空區(qū)、護頂層與回采進路相互關(guān)系圖見圖5所示，進路鋼架支護示意圖見圖6所示。

②地應(yīng)力設(shè)置：根據(jù)礦區(qū)實測地應(yīng)力結(jié)果，礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力的方位大致呈NNW向，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值隨埋深的回歸特性方程如公式（1）-公式（3）：

③邊界條件：計算域邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用x、y、z三個方向約束，xy所在平面采用z方向約束，yz所在平面采用x方向約束。

3.3 計算方案

采用進路式回采，回采時采用“隔二采一”的方法，總的回采順序1、4、7、10、15號礦房，然后為2、5、8、14、11號礦柱，再采3、6、13、9、12號礦房等，即：1號進路回采支護—4號進路回采支護同時充填1號進路—7號進路回采支護充填4號進路—10號進路回采支護。對于斷面為4m×4m的進路，當(dāng)不夠隔二采一時，改為隔一采一。擬預(yù)留護頂層分別為1m和0.5m，回采進路采用工字鋼支護，進路斷面為3m×3m和4m×4m，鋼架間距為0.5m和1m。不同組合方式見表1所示。

3.4 計算采用本構(gòu)模型及巖體參數(shù)

計算中采用莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則判斷巖石的破壞，如公式（6）：

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，C，φ分別是粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準(zhǔn)則（σ3？叟σT）判斷巖石是否產(chǎn)生拉破壞。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗結(jié)果計算得巖體力學(xué)參數(shù)見表2所示。

4? 數(shù)值計算結(jié)果分析

鑒于篇幅限制，未將所有計算分析結(jié)果一一顯示，僅羅列四種方案中垂直位移計算結(jié)果（圖7），根據(jù)計算結(jié)果分析出各方案下垂直位移曲線（圖8），水平位移曲線（圖9）。

計算結(jié)果表明，鋼架的間距對進路的支護效應(yīng)比較明顯。隨著鋼架間距由0.5m增加到1m，進路頂板的護頂層的位移明顯增加;隨著護頂層的厚度從1m減小至0.5m，在同等條件下進路頂板護頂層的垂直位移有明顯的增加;在護頂層厚度本身不大且鋼架間距擴大的情況下，進路頂板護頂層垂直位移位移持續(xù)增加。各進路回采后，隨著方案①至方案④，各進路頂板最大垂直位移整體呈逐漸增大趨勢;且從方案②開始，頂板護頂層破壞比較嚴(yán)重。綜合對比分析，進路斷面為3m×3m時，預(yù)留護頂層為1m和0.5m并進行支護情況下的四種方案中，方案①最優(yōu)，即進路斷面3m×3m，護頂層厚度1m，鋼架間距0.5m方案基本能夠保證各進路的順利回采。

5? 結(jié)論

①對白云巖進行了現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查，調(diào)查顯示白云巖節(jié)理發(fā)育、大部分屬于急傾斜結(jié)構(gòu)面，存在一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其傾向在225～243°，傾角在85～88°之間。

②采用FLAC3D三維數(shù)值計算軟件對四種方案的計算結(jié)果進行了優(yōu)選和分析。采用進路為3m×3m時，護頂層厚度1m、鋼架間距0.5m為最優(yōu)回采方案，該方案不僅能能滿足進路回采后充填過程中護頂層與進路的穩(wěn)定性，同時能擴提高礦石回采率，具有較好的經(jīng)濟價值。

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