程潮铁矿联合开采时回采顺序的数值模拟优化

裴明松，许梦国，王　平，焦　骜，汪　创，张开新

(武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉，430081)



程潮铁矿联合开采时回采顺序的数值模拟优化

裴明松，许梦国，王平，焦骜，汪创，张开新

(武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉，430081)

摘要：程潮铁矿的矿体随着开采深度的增加而逐渐西移，导致选矿车间下保安矿柱所占矿量不断增多，故拟采用联合开采方法回收-430～-500 m阶段矿体：充填法回收选矿车间下预留保安矿柱；无底柱分段崩落法开采保安矿柱以外的其他矿体。为了研究联合开采时回采顺序对地表稳定性的影响，采用数值模拟方法得到不同回采顺序下地表监测点的垂直位移，确定地表沉降最小且施工组织容易的回采顺序组合为最优方案，即充填法采用“中-左-右”以及无底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采顺序。模拟开采结果表明，在该回采顺序方案下，选矿车间区域的地表稳定性、充填采场及隔离矿柱的安全性均满足要求。

关键词：回采顺序；联合开采；采场稳定性；地表沉降；数值模拟

采矿活动的进行往往伴随着矿区地应力的重新分布，合理的矿体开采顺序能够及时有效地释放由于矿石开挖聚集的能量，减少对周围岩体的扰动，并且能够避免矿区形成应力集中区域，有效防止大规模突发性地压活动的发生，因此，在国内很多矿山都进行过开采顺序优化研究[1-6]，取得了较好的应用效果。

武钢资源集团有限公司程潮矿业公司(以下简称程潮铁矿)在-430～-500 m水平拟采用两种方法联合开采：①充填法回收保安矿柱；②无底柱分段崩落法回采保安矿柱以外的矿体。由于其矿体沿走向方向较长，联合开采面临着如何安排两种采矿方法的回采顺序以保障地表的稳定性以及采场的安全性问题。为此，本文采用数值模拟方法建立两种方法联合开采的计算模型，研究不同回采顺序对矿区地表稳定性的影响，确定最优回采方案，并对该方案下的采场应力分布和安全性进行分析，以期为矿山的开采设计和施工管理提供参考。

1工程概况

程潮铁矿过去一直采用无底柱分段崩落法回采矿石，当开采西区矿体时在选矿车间下面预留保安矿柱以保护厂区。矿体随采深增加逐渐西移，选矿车间下保安矿柱所占矿量不断增加，若不进行回收，采矿进入深部后可能面临无矿可采的局面。由于充填法生产成本较高，且生产效率不如无底柱分段崩落法，因此，为了尽可能多地回收矿石资源，保障矿山经济效益，经过采矿方案优选，确定在-430～-500 m阶段采用充填法和无底柱分段崩落法联合开采。根据矿区地质资料显示，该阶段矿体近东西方向长达1100 m。采用联合开采方案时，沿矿体走向方向，充填法开采区域长度为300 m，无底柱分段崩落法开采区域长度为800 m。在选矿车间暂时不搬迁的情况下，有必要对联合开采时地表的稳定性进行研究，从而选择地表沉降最小同时又满足充填采场以及隔离矿柱安全性要求的最优回采顺序。

根据矿山矿体赋存情况以及联合开采方案，在-430～-500 m阶段的-482～-500 m分段中，无论是充填法开采区域还是无底柱分段崩落法开采区域均为最大，为了简化研究，同时又要符合现场实际情况，以该分段为对象进行研究。沿矿体走向选择典型断面(见图1)进行分析，该断面中两种方法联合开采范围较大，采矿活动对地表的影响也随之增大，具有一定的代表性。图1中，充填法开采矿体编号从左到右依次为23、22、…、11，无底柱分段崩落法开采矿体从左到右依次编号为7、8、9、10。根据程潮铁矿充填试验方案，联合开采中充填法为上向水平充填，矿房宽度为13 m，矿柱宽度为7 m。

图1　矿体开采示意图

2联合开采数值模拟

2.1计算模型

由于ANSYS有限元软件具有强大的前处理能力，因此根据矿区的实际情况以及上述典型断面，运用ANSYS Workbench建立与之对应的平面应力数值模型并划分网格后将其导入Flac3D中进行数值运算。模型X、Y、Z方向长度分别为2000、10、1200 m，网格为四面体网格，总计单元84 199个、节点27 223个。

2.2模型初始条件及边界条件

由于模型的上表面代表实际地表，因此上表面上不施加任何约束。模型边界的水平应力约束由自重应力的水平分量以及构造应力的水平分量相互叠加形成，其中模型的自重应力σV及其水平

分量σH的计算公式[7]如下：

(1)

(2)

式中：γ为岩体容重；H为岩体赋存深度；μ为覆岩的泊松比。

构造应力中，最大主应力σ1为水平方向，σ1=1.27γH；最小主应力σ3基本与矿体走向垂直，σ3=0.44γH；次主应力σ2=12.7 MPa。

在模型的左、右侧面施加水平位移约束，在其前、后侧面施加固定位移约束，底部施加竖直约束。

2.3岩体力学参数

根据矿区地质资料，矿体上盘围岩以大理岩和矽卡岩为主，下盘围岩以花岗岩、闪长岩和矽卡岩为主[8]。数值计算中岩体的力学参数通过实验室岩样的参数折减获得[9-10]，如表1所示。

2.4回采顺序模拟方案

为了减小两种采矿方法之间的相互影响，设置倾斜角度为62°、厚度为20 m的隔离矿柱作为两种采矿方法的分界区。充填法和无底柱分段崩落法的回采顺序均有“左-中-右”、“左-右-中”、“右-中-左”、“右-左-中”、“中-左-右”和“中-右-左”6种，如表2所示。两种采矿方法的组合共计有36种回采顺序模拟方案。

表1　数值计算中采用的岩体力学参数

表2　回采顺序模拟方案

3数值模拟结果与分析

3.1最优回采顺序方案

为了研究不同回采顺序下的地表稳定性情况，在选矿车间区域地表距离塌陷坑边缘0、20 m设置监测点，此后自西向东每隔30 m依次布设共计18个监测点来观测地表沉降(见图1)。在模拟矿体开采过程中记录各个监测点的垂直位移，共计得到36组监测数据，其中部分结果如图2所示。

图2　不同回采顺序下监测点的垂直位移

Fig.2 Vertical displacements of monitoring points in different stoping sequences

由图2可见，不同回采顺序下地表监测点的垂直位移值都随着其与塌陷坑距离的增大而减小，表明联合开采方案中无底柱分段崩落法对地表的稳定性影响较大，这与该方法的地压管理方式有关。

从36种回采顺序方案中选择地表沉降较小的6种方案，其监测点的垂直位移如表3所示。由表3可见，在联合开采方案下，当无底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采顺序时，充填法无论采用何种回采顺序，监测点垂直位移值均较小，且6种方案之间各监测点垂直位移值相差在0.01 mm以内。考虑到两种采矿方法会相互影响，且其施工工艺不尽相同，为了减小联合开采时施工组织管理方面的难度，应适当增加两种采矿方法施工区域之间的距离，因此回采顺序的最优方案为fmlr&clrm，即充填法采用“中-左-右”的回采顺序、无底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采顺序。

同时，根据数值模拟结果可知，引起地表监测点垂直位移值最大的回采顺序最差方案为frlm&cmlr，即充填法采用“右-左-中”的回采顺序且无底柱分段崩落法采用“中-左-右”的回采顺序。分别按最优和最差方案开采引起的地表监测点垂直位移的对比如图3所示。由图3可见，两种方案下地表监测点垂直位移的差值与监测点离塌陷坑的距离呈负相关，两者最小差值为2.296 mm，最大差值为4.154 mm。

表3　采用6种较优方案的监测点垂直位移

3.2采场稳定性分析

矿体开采的过程是矿区应力重新分布的过程，应力的分布影响着采场的稳定性。下面通过模拟回采来检验上述最优方案是否能满足下部采矿作业的安全性要求。根据数值模拟结果，采用最优回采顺序联合开采，矿区和采场区域的应力分布特征如图4所示。从图4(a)中可以看到，在塌陷区域以外，矿区应力主要为压应力，且随矿体深度的增加而逐渐增大，在地表区域局部位置以及无底柱分段崩落法开采区域底部出现拉应力。在塌陷区域松散岩体内的应力为不超过6 MPa的压应力，且压应力为4 MPa的区域面积较大，呈漏斗状。在已充填区域、充填法采矿区域以及隔离矿柱区域，应力分布也较为有规律，如图4(b)所示，应力大小未超过预留矿柱的抗压强度，仅在无底柱分段崩落法开采区与隔离矿柱的交界面处出现了较小区域的应力集中，在实际采矿过程中加强该区域的支护即可保证其稳定性。

图3　最优和最差方案下地表监测点垂直位移的对比

Fig.3 Comparison of vertical displacements of monitoring points between the best and worst schemes

(a)矿区应力分布

(b)采场区域应力分布

Fig.4 Stress distribution of the mining district in the best stoping sequence

同时，根据模拟开采结果可以得到充填采场和隔离矿柱的安全系数以及联合开采过程中隔离矿柱的塑性区域，如图5所示。由图5(a)可以看到，按最优回采顺序方案开采，充填采场的安全系数在1.8～2.2之间，隔离矿柱的安全系数在1.8～2.6之间，均满足安全性要求。此外，由图5(b)可以看到，在最优回采顺序方案下，隔离矿柱中处于塑性区域的面积较小，且出现在与无底柱分段崩落法采场交界的区域，不会对隔离矿柱的稳定性产生不良影响。

(a)采场及隔离矿柱安全系数

4结语

程潮铁矿同时采用两种方法进行联合开采时，最优的回采顺序方案为充填法采用“中-左-右”的回采顺序、无底柱分段崩落法采用“左-右-中”的回采顺序。采用该方案在-482～-500 m分段矿体进行开采时，选矿车间区域地表各监测点的垂直位移较小，能满足地表稳定性要求，充填采场和隔离矿柱中塑性区域面积较小，安全系数符合要求。同时，在该回采方案下，开采前期两种采矿方法互不影响，便于施工组织管理。

本研究是采用有限元方法进行数值模拟，得到的结果与实际情况可能会有一定的差异。在施工过程中应该加强地表区域的监测和分析，根据现场情况进行合理调整，以期达到最优效果。

参考文献

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[4]吴玉兰．老厂锡矿13-2-3#矿体回釆顺序优化研究[D]．昆明：昆明理工大学，2006．

[5]彭康，李夕兵，彭述权，等．三山岛金矿中段盘区间合理回采顺序动态模拟选择[J]．矿冶工程，2010,30(3)：8-11．

[6]任卫东，陈建宏．开采顺序对采场稳定性及地表沉降影响的数值模拟研究[J]．矿冶工程，2011,31(6):21-24．

[7]姚高辉．金属矿山深部开采岩爆预测及工程应用研究[D]．武汉:武汉科技大学，2008．

[8]许梦国，曹阿静，伍佑伦，等．武钢程潮铁矿西区放顶工程顶板地压问题的计算机模拟[J]．武汉科技大学学报:自然科学版，2004,27(2)：142-144．

[9]蔡明，赵星光，KAISER P K．论完整岩体的现场强度[J]．岩石力学与工程学报，2014,33(1)：1-13．

[10]林达明，尚彦军，孙福军,等．岩体强度估算方法研究及应用[J]．岩土力学，2011,32(3)：837-842,848．

[责任编辑尚晶]

Optimization of stoping sequence during combined mining at Chengchao Iron Mine by numerical simulation

PeiMingsong,XuMengguo,WangPing,JiaoAo,WangChuang,ZhangKaixin

(Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081,China)

Abstract:The location of ore body in Chengchao Iron Mine moves westward gradually with the increase of mining depth, which results in the ever-increasing ore quantities reserved for safety pillars under the dressing plant. So it is planned to stope the ore body ranging from -430～-500 m using combined mining: safety pillars under the dressing plant are recycled by filling method and the other ore body in the same district stoped by non-pillar sublevel caving method. To study the influence of combined mining sequence on the ground surface stability, the vertical displacement values of surface monitoring points are obtained by numerical simulation in different stoping sequences. The scheme causing the minimum ground settlement and being convenient for construction organization is chosen as the best one, i.e., stoping sequences of filling and non-pillar sublevel caving methods are “middle→left→right” and “left→right→middle”, respectively. Simulation results show that, in the best stoping sequence, both the stability of ground surface around the dressing plant and the safety of filling stope and partition pillars meet the requirements.

Key words：stoping sequence；combined mining；stope stability；ground surface settlement; numerical simulation

收稿日期：2015-12-21

作者简介：裴明松(1991-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail: sunnypms@163.com通讯作者：许梦国(1958-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail: xumg2@263.net

中图分类号：TD583

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)02-0107-05