复杂环境下难采矿体开采的力学分析

向　军

(凡口铅锌矿，　广东 韶关市　512325)



复杂环境下难采矿体开采的力学分析

向军

(凡口铅锌矿，广东 韶关市512325)

复杂环境下顶底柱、残矿的安全高效回采一直是地下矿山安全生产管理的重点和难点，以凡口矿某底柱的开采为例，根据矿山开采现状构建三维有限元数值模型，开展了凡口矿底柱开采数值分析研究。结果表明：底柱采场开挖之后，顶、底板和围岩的位移和应力变化范围不大，且应力集中区域在合理范围之内。根据数值分析的结果，提出了安全可行的回采方案。研究结果为相似底柱残矿的回收提供参考。

复杂环境；开采安全；顶柱回采；数值模拟；力学分析

0　前　言

受资源开采条件、采矿技术水平及装备技术等影响，我国矿山开采遗留下大量的残矿资源，如何实现安全高效回采残矿资源是亟待解决的问题之一，也是最大程度回收资源、延长矿山服务年限的一种有效手段之一。残矿的赋存条件往往较复杂，回采安全难度大、回采效率底、成本高是该类资源开采的难点之一。

凡口铅锌矿经过近50年开采，留下了大量难采的顶底柱等残矿资源，为了最大限度地安全回收底柱残矿，应进行采矿工艺优化，研究摸索出安全高效的残矿资源开采工艺。因此，通过选取凡口矿某底柱采场，构建出三维有限元数值分析模型，开展底柱采场开采后顶、底板和围岩数值分析，对开采后围岩的力学状态进行预测，在此基础上研究安全高效的回采技术方案。

1　工程概况

以Sh-320 m S1#底柱为例，Sh-320 mS1#底柱采场由Sh-320 m水平进入，采场平面见图1。

S1#底柱采场充填面与一分段的拉底层底板标高差约为9.7 m。采场结构破碎，节理发育，中间填充物多为泥炭质，胶结差，易脱层。采场西头为F3断层，矿灰交界处，分布有多条小断层，受其作用局部矿岩结构破碎，稳固性减弱，顶边帮易产生脱层冒落，开采条件复杂，另受周边爆破影响，整体稳定性较差，回采安全难度大。

图1Sh-320 m S1#底柱采场平面

2　数值分析

2.1数值模型的构建

根据矿山现有的开采情况(见图2)建立有限元模型。数值模型取垂直方向为Z轴，采场走向为Y轴，与采场走向垂直方向为X轴，模型的四周采用固定支撑。模型范围垂直方向70 m，宽和长均为60 m。数值分析选取弹塑性本构模型，并采用Drucker-Prager屈服准则，采场的开挖可由单元钝化来实现。表1为经过力学实验获取的岩石物理力学参数。

图2　开采现状

岩体名称体重γ/(g·cm-2)弹性模量E/GPa泊松比ν抗压强度σc/MPa矿体3.4617.40.2514.3充填体3.235.70.230.35岩体名称抗拉强度σt/MPa黏聚力c/MPa内摩擦角/(°)矿体2.373.0536.3充填体0.120.3538.1

2.2开挖对采空区应力场的影响

从图3和图4中可看出，主应力分布较为均匀，在顶、底板和两帮出现部分应力集中，围岩受到的最大压应力为19.76 MPa，最大拉应力未出现。图5为剪应变云图，从水平方向看，两帮的剪应变较大；从竖直方向看，顶、底板上出现的剪应变较大。

2.3开挖对采空区位移场的影响

顶、底板和两帮的最大位移(见图6)分布于采空区的顶、底部，顶板的最大下沉量为108 mm，底板的最大位移量为93.7 mm。

图3　第一主应力云图

图4　第三主应力云图

图5　剪应变云图

通过以上应力场和位移场的分析可知：底柱采场的开采，对顶、底板和两帮的影响在允许的范围之内，按照数值分析的结果，对有可能失稳的区域应采取相应措施，保证开采的安全进行。

图6　z方向上位移云图

3　安全回采方案

根据数值分析结果，结合现场实际情况，考虑利用上向凿岩台车进行机械化回采。规划如下：台车向上打5杆(每杆1.1 m),布置人工拉槽区，采用菱形对角掏槽，中间布置排气孔，拉槽区孔网参数为1.1 m ×1.1 m；侧爆区孔网参数为1.4 m×1.5 m，采场共布置117个孔，装乳化炸药进行爆破，毫秒雷管起爆，共20个段，炸药量1500 t，单耗0.4，装药系数0.7。

图7　Sh-320 m S1#底柱采场炮孔布置

4　结　论

采用数值分析方法研究了凡口矿底柱残矿回采的安全性。通过有限元软件建立三维数值模型，并进行模拟开挖计算，获取开挖引起的顶、底板和围岩的应力、应变力学响应特性，数值计算的结果表明：底柱采场的开采导致了内部应力场重新分布，在顶、底板及围岩的中部尤为突出，应力集中现象在两帮处体现最明显，此处极易发失稳垮塌或压坏等现象，应加以防范。在此基础上，可考虑采用上向凿岩台车进行回采，确保回采安全高效。

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2016￣04￣20)

向军(1983-) ，男，湖南怀化人，采矿工程师，主要从事井下管理和采矿技术研究。