陕西徐家沟铜矿破碎矿体出矿巷道间距研究

郭进平 李 明 王小林，2(.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 70055；2.紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200)

巷道开挖后周围一定区域内应力将重新分布，若2相邻的平行巷道间距过小，巷道会处于彼此的应力升高区，导致巷道的稳定性变差[1]。对于一般的平行巷道间距问题，目前主要考虑相邻巷道的稳定，通过分析相邻巷道间扰动效应来进行研究[1-3]。出矿巷道属于平行巷道的一种，但又不同于一般的平行巷道，是采场矿石放出的咽喉通道，间距过大时相互之间应力叠加降低，巷道稳定性提高，但巷道之间的脊部残留和下盘残留矿量增加，矿石回收率无法保证[4]。因此，出矿巷道间距问题既涉及矿石回收率又涉及巷道稳定性，其实质是在矿石回收率和出矿巷道稳定性间取得平衡。

1 矿山概述

陕西省徐家沟铜矿矿体和围岩均十分破碎，岩体强度低，围岩表现出大变形的特点。根据矿体特征和矿岩性质，矿山采用阶段留矿崩落法[5]回采，如图1,中段高50 m，矿块长50 m，一侧向另一侧连续回采，每次落矿只出一部分，利用采场留矿支撑顶板，底部结构为平底堑沟形式，矿体厚度超过15 m时采用双堑沟。

图1 阶段留矿崩落法Fig.1 Stage shrinkage caving method1—中段脉外下盘运输平巷；2—行人通风天井；3—堑沟平巷；4—切割平巷；5—切割天井；6—精矿进路；7—凿岩硐室；9—脉内运输巷道

阶段留矿崩落法无法像无底柱分段崩落法那样“转段回收”[6]，一是因为上下中段的出矿巷道很难形成交错布置，脊部残留难以回收；二是因为采场顶板主要靠采场留矿来支撑，随着采场矿石的大规模放出，顶板失稳下落，而矿体平均倾角只有60°，下盘矿石流动性较差，很容易因上盘围岩的混入而被截断，形成永久损失。因此，本中段的矿石要尽可能在本中段进行回收。

先根据椭球体放矿理论进行放矿实验，得到徐家沟铜矿矿石放出体的偏心率方程，获得特定放出高度下矿石放出体的短轴参数，然后按照放出体空间相切排列求得理论上的出矿巷道间距，最后通过FLAC3D数值模拟对出矿巷道的稳定性进行分析。

2 矿石流动规律研究

2.1 实验材料制备与装填

按照相似实验几何相似、物理相似和物料级配相似的要求，实验所用的散体颗粒由现场矿石按照1∶50的相似比例破碎而成，粒径级配与现场一致，如表1。

表1 矿石粒度及配比Table 1 Ore grain size and mixing ratio

按照椭球体放矿理论，放出体是一个旋转对称的椭球体，因此放矿口布置在模型下盘边界以减少模型尺寸。实验假定采场上盘能够在矿石放出过程中保持稳定，为避免模型边界影响矿石放出体的发育，模型厚50 cm，宽50 cm，高1.2 m。放矿口尺寸为4.4 cm×4.8 cm，模拟现场2.2 m×2.4 m的进路。为模拟采场放矿条件下的椭球体形态，实验模型倾斜布置，顶底板与水平面夹角为60°(矿体平均倾角)。矿石装填高度1 m，垂直间隔5 cm布置1层直径5 mm的黄色标记颗粒，标记颗粒间距为2.5 cm。标记颗粒摆放和实验模型如图2。

图2 实验模型Fig.2 Experimental model

2.2 放出体参数测定

根据放出的标记颗粒圏绘出放出体轮廓，沿进路方向和垂直进路方向这2个典型的放出体剖面如图3，其中垂直进路方向放出体剖面的右半部分由左半部分对称而得。

图3 典型剖面放出体曲线Fig.3 Typical profile of ore-drawing body

量取放出体的参数，按照1∶50的相似比折算成放出体实际尺寸，如表2，表中a为放出体长半轴，b为垂直出矿巷道方向的半轴，沿出矿巷道方向的半轴因与本研究无关而未作统计。

表2 矿石放出体实际参数Table 2 Actual parameters of ore-drawing body

表2中放出体的偏心率计算方法如下：

(1)

研究表明，放出体的高度H与偏心率存在以下关系[7]：

1-ε2=KH-n,

(2)

式中,K称移动边界系数，n称移动迹线指数，两者都是与矿岩性质和放矿条件有关的待求常数。对表2中的偏心率进行数学回归，得到短半轴b的偏心率方程。

(3)

由式(3)可求得任意放矿高度对应的放出体偏心率，进而求得放出体短轴参数。

3 出矿巷道间距理论计算

一般认为，空间上每个纯矿石放出体相切时矿石的损失贫化率最小，即采场结构参数最优。按照这一原理，放出体有大间距和高分段2种排列方式[8]。

按照放出体大间距排列方式，分段高度h和进路间距B有如下关系[8]：

(4)

按照放出体高分段排列方式，分段高度h和进路间距B有如下关系[8]：

(5)

采场高度达到50 m，采用高分段理论较为合适。放出高度近似取H=50 m，a=25 m，代入式(3)和式(1)，求得b=6.53 m，代入式(5)，求得进路间距B=15.1 m。

4 FLAC3D数值模拟

4.1 方案设计及数值建模

按照“本中段矿石尽量在本中段回收”的原则，实际的出矿巷道间距应小于理论计算的15.1 m。矿块长50 m，为使各出矿巷道负担的出矿面积大体一致，取进路间距B=10 m(方案Ⅰ)和B=12.5 m(方案Ⅱ)2种方案进行FLAC3D数值模拟。模型长40 m，宽25 m，高25 m，共72 080个单元，去除部分围岩后如图4。

图4 数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model

4.2 材料参数及应力场

数值计算采用Mohr-Coulomb模型，岩体参数如表3。

表3 岩体力学参数Table 3 Rock mechanics parameters

矿山垂直应力6.87 MPa，水平最大应力10.74 MPa，与矿体走向垂直，水平最小应力7.29 MPa，与矿体走向平行[9]。模型四周和底面采用位移约束，模型顶面施加上覆岩体产生的垂直均布荷载，模型四周施加在垂直方向上线性增加的水平荷载。

4.3 计算结果及分析

围岩位移是巷道各种力学状态的综合反映[10]，垂直应力可反映相邻巷道应力的叠加情况，塑性区体积则反映了岩体的破坏程度[11]，因此选取位移、垂直应力和塑性区体积等指标对2种方案的巷道稳定性进行评价。

4.3.1 计算结果

2种比较方案的位移、垂直应力如图5～图7。

图5 垂直位移Fig.5 Vertical displacement

图6 水平位移Fig.6 Horizontal displacement

图7 垂直应力Fig.7 Vertical stress

由图5～图7可知，方案Ⅰ的顶板位移为4.37 cm，底板位移为4.52 cm，侧帮位移为4.01 cm，垂直应力为10.80 MPa；方案Ⅱ的顶板位移为3.83 cm，底板位移为4.18 cm，侧帮位移为3.65 cm，垂直应力为9.98 MPa，分别比方案Ⅰ小12.4%，7.5%，9.0%和7.6%。计算表明，方案Ⅱ的塑性区体积为210.5 m3，比方案Ⅰ的267.8 m3小21.4%。可见，方案Ⅱ的巷道稳定性要明显好于方案Ⅰ。

4.3.2 结果分析

从矿石回收率上看，方案Ⅰ要优于方案Ⅱ，但方案Ⅰ的巷道稳定性要明显低于方案Ⅱ。鉴于方案Ⅱ的进路间距为12.5 m，已经小于椭球体放矿理论计算的理论值15.1 m，矿石回收率能够得到保证，巷道稳定性也明显优于方案Ⅰ。因此综合考虑认为徐家沟铜矿出矿巷道间距取12.5 m较为合适。但也应看到，由于岩体破碎、强度低，徐家沟铜矿出矿巷道变形较大，必须选取适合围岩大变形的支护方式进行支护。

5 结 论

(1)出矿巷道不同于一般的平行巷道，确定间距时不能只考虑巷道稳定性或者矿石回收率，而要尽量在巷道稳定性和矿石回收率间取得平衡。

(2)徐家沟铜矿矿体破碎，采场顶板不稳，脊部残留和下盘残留矿石难以做到转段回收，为减少采场矿石损失，本中段矿石应尽量在本中段回收。

(3)根据椭球体放矿理论开展放矿实验获得徐家沟铜矿矿石放出体的偏心率方程，放矿高度为50 m时放出体b轴长6.53 m，按照放出体高分段排列确定出矿巷道的理论间距为15.1 m。实际采用12.5 m的间距时，既能最大限度保证出矿巷道的稳定，又能提高矿石的回收率。

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