金厂峪金矿基于FLAC3D的残矿回收与空区处理采矿方法优化

温军锁，程文文，缪国卫

(1.中国黄金集团公司，北京 100011；2.长春黄金研究院，吉林 长春 130012)

金厂峪金矿基于FLAC3D的残矿回收与空区处理采矿方法优化

温军锁1，程文文2，缪国卫2

(1.中国黄金集团公司，北京 100011；2.长春黄金研究院，吉林 长春 130012)

金厂峪金矿近年来井下空区数量不断增大，空区条件愈加复杂，可能随时出现地表塌陷等危害，亟需开展废石尾砂胶结充填技术进行空区处理及残矿回收研究工作。根据类似矿山经验，提出4种残矿回收方案，采用FLAC3D分别对4种方案进行数值模拟计算与分析，结果表明：第1种方案的竖向应力、位移沉降、塑性区分布以及最大主应力等指标优于其他方案，并能保证生产过程中的整体安全稳定性，推荐该方案在金厂峪金矿大规模推广应用。

充填；FLAC3D；采矿方法

河北省迁西县金厂峪矿业有限责任公司下属的桑家峪金矿，位于河北省迁西县城城北，公路里程30km。矿区位于西湾子村西0.5km，属金厂峪镇管辖。矿区东侧有丰董公路通过，交通方便。金厂峪金矿桑家峪矿区为该矿新收购的矿山，之前进行过民采，已开采中段有110m、80m、50m中段。由于民采期间未进行合理规划，即见矿就采，至此，在此三中段形成了约4万m3的采空区，所形成的高大空区与地表接近，位于空区上方的山谷为一季节性河流，可能随时出现河水灌入井下、地表塌陷等危害。因此，需进行空区的处理，并运用相应技术进行残矿回收。

根据矿山的具体情况，决定采用废石尾砂胶结充填技术进行空区处理及残矿回收工作[1-2]，以达到处理空区确保不发生灾害事故并安全回收残矿的目的，提出几种初步方案设计，并经数值模拟分析回采方案过程，确定最终回采设计方案。

1 数值模拟方法概述

岩体力学数值模拟相关技术的发展为矿块回采工艺科学决策提供了条件，本研究以岩土工程专用分析软件FLAC3D为辅助，在保证生产安全的前提下优化矿块回采顺序及工艺，模拟计算了在不同的回采工艺条件下，矿块开采后矿房顶板、矿柱的应力、变形状态及塑性区分布，根据计算结果确定安全合理回采工艺，提高矿山安全生产水平和资源的有效利用率[3-4]。

2 矿块回采工艺优化数值模拟

2.1 模型的建立

本次模拟范围从+30m到+130m共100m，设计地表标高为+200m，上部岩体对模型作用力通过施加竖向应力实现。根据设计选用采矿方法进行建模以及开挖分析等工作；最终选取建模参数为：长100m，宽50m，高100m，包含了+50m及+80m等中段岩体。矿体按照厚度15m，倾角70°，走向长度80m进行建模。整个模型分为两个组块，为简化计算，将矿体外其余部分设为围岩，其中对矿体网格进行了加密处理，以便得到更加准确的分析结果。模型共31920个单元体，34231个节点。

2.2 本构模型的选择

本研究采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则。

2.3 模型力学参数

由于实验室方法是对所取岩芯进行测试获取岩体的力学属性，其值较原位试验获取的岩体的力学属性往往要大得多，因此在实践中通常是将实验室测试获取的岩体的力学属性进行必要的折减后作为模拟需要的物理力学参数[5]。

本次模拟主要岩性为斜长角闪岩，根据金厂峪岩石力学试验总结报告选取模型岩石力学参数见表1。

3 模型开挖计算方案

3.1 开挖方案建立

采用上向水平分层充填法进行采矿，每隔体回采顺序可从一侧向另一侧进行，每个矿块作为单独采场，每个分层为独立充填单元，回采时采用隔一采一。

由于+80m上部有空区赋存，当残矿回收至空+80m中段时存在着一定的安全隐患，为了避免在区下进行回采作业，因此考虑在+80m中段底板预先用尾砂胶结充填1m厚，既能提高下方残矿回收作业的安全性，也在一定程度上对两帮围岩起到一定的支撑作用。对整体回收方案考虑四种方案进行分析和对比，见表2。

表1 岩石物理力学参数

表2 模型开挖方案

由于上向水平分层充填采矿工艺较为复杂，为了简化开挖过程及便于分析对比方案，模拟过程对回采步骤进行必要的简化、合并处理。

3.2 开挖过程分析模拟

残矿回收模拟前要先形成+50m、+80m中段空区，在+50m中段充填至+65m后，将+80m底板尾砂胶结充填1m，见图1。

模型对开挖过程按照采矿工艺过程分析相关竖向应力、位移沉降以及塑性区分布等参数，总结其变化规律，探讨矿块结构参数对围岩的破坏机理及规律[6-9]。

图1 +50m空区充填后有、无底板胶结示意图

方案1开挖过程模拟，见图2。方案1在+80m中段有1m后的尾砂胶结，回采顺序为一侧向另一侧回采，分析竖向应力云图可知，随着回采的进行，残矿岩体内竖向应力变化较小，这是因为残留矿体上下空间无岩体赋存，其主要受两帮围岩的水平应力作用。而分层充填采矿方法的特点也使采场周边围岩得到有效支撑，主要变化集中在采区两帮围岩内，其竖向应力有所增大，但变化幅度较小。

3.3 开挖方案对比分析

上文对选取的开挖方案过程进行了分析模拟，通过分析竖向应力场、沉降位移变化，对矿岩的开采引起周围岩层扰动规律有了具体的认识，下面通过上述参数对各个方案进行横向比较分析，选取回采顺序最优的方案。

由图3可知，观察各个方案回采结束后竖向应力对比云图可知，各方案都在周边围岩形成应力集中，在+80m中段空区上部有应力贯通区域，整体应力分布大体一致。而无1m尾砂胶结的方案3、4周边围岩竖向应力较方案1、2要小，从而使围岩内拉应力较方案1、2增大，从岩体整体稳定性来看是相对不利的，因为岩石抗拉强度相对抗压强度要低很多。

这也说明预先施工的1m厚胶结尾砂对两帮围岩起到了支撑作用，从作业安全性及岩体稳定性两方面考虑都是很有必要的。经过比较可知，四个方案中，方案1、2优于方案3、4，而方案1在前述分析中是优于方案2，可视为最优方案。

分析各个方案回采结束后竖向位移云图见图4，方案3、4周边围岩沉降幅度较方案1、2要大，由于方案3、4上部无胶结顶板，导致采场充填体内发生位移、移动的充填体范围增大，综合分析，可视方案1为最优方案。

分析各方案回采结束后最大主应力对比云图见图5，回采结束后在周边围岩及上部空区顶部均有拉应力出现，整体分布规律大体一致，且大部分区域拉应力在5MPa以下，低于岩体抗拉强度，整个采场可视为是安全稳定的。虽然在+50m采场端部出现较大拉应力集中，但是由于其范围较小及处于端部位置，不会影响到整个采场区域的安全及稳定性。对比各方案主应力云图可以看到，方案1其应力集中程度最小，整体安全稳定性最好，可视为最优方案。

图3 各方案回采结束后竖向应力对比云图

图4 各方案回采结束后竖向位移对比云图

4 结论

1)通过对开挖方案建立模型，建立4个开挖方案，方案之间进行纵向分析并做横向比较，分析选取的竖向应力、位移沉降、塑性区分布以及最大主应力等参数，最终得到不同回采顺序的采场稳定性对比如下：方案1>方案2>方案3>方案4。最终推荐的矿块结构参数为方案1，也就是在+80m中段底板预先施工1m厚胶结尾砂并由一侧回采。一侧回采不仅在采场安全及稳定性上优于中间向两侧回采，也便于施工组织，合理利用采准工程，加快工程进度。

2)分析各方案开挖过程的力学参数可以看到，方案之间的力学参数指标差异较小，方案的安全及稳定性都是可以接受的；但是方案3、4由于上部无预先施工胶结顶板，导致回采后期要在空区下作业，存在安全隐患，因此不建议采用。

图5 各方案回采结束后最大主应力对比云图

3)针对在分析模拟过程中出现的采场充填体会出现塑性破坏以及沉降等情况，建议矿山在生产采矿过程中，做好施工组织及规划，在采场回采结束之前做好充填作业所需相关准备工作，回采结束后尽快进行充填，缩短回采周期，避免采场长时间的暴露；而在回采矿房时，在充填体附近区域作业时考虑调整爆破参数或减小一次爆破矿量，以此来减少爆破震动对充填体造成的影响。

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The optimization of mining methods by FLAC3Din stooping safely and pillar extraction of Jinchangyu Gold Mine

WEN Jun-suo1，CHENG Wen-wen2，MIAO Guo-wei2

(1.China National Gold Group Corporation，Beijing 100011，China;2.Changchun Gold Research Institute，Changchun 130012，China)

With the continuous increase of the number of underground mine cavity in Jinchangyu Gold Mine in recent years，the cavity condition become more and more complicated.It may cause the surface subsidence at any time.So it is very urgent to carry out cemented waste rock backfills technology for cavity treatment and the stoping of remnant ores research.According to the similar mine experience，it proposed 4 remnant ores recovery schemes，and use FLAC3D to do the numerical simulation and analysis for the 4 schemes.The results showed that the first scheme of vertical stress，displacement and settlement and distribution of plastic zone and the maximum principal stress index is better than the other schemes.It tan guarantee the the overall safety and stability of production process.Therefore the first scheme is recommend for large-scale application in Jinchangyu Gold mine.

filling;FLAC3D;mining methods

2014-12-10

温军锁(1960-)，男，任职于中国黄金集团公司，主要从事采矿技术及生产管理工作。E-mail：cuisong0502@163.com。

TD82

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1004-4051(2015)03-0111-05