基于3D-σ对云锡卡房锡矿13-2矿体回采方案研究

刘泽乾，侯克鹏，杨八九

（1.云南锡业股份有限公司，云南 个旧 661000；2.云南亚融矿业科技有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

矿产作为不可再生资源，在社会经济发展中占有相当重要的地位，如何高效安全的开采残矿成为了矿山的一大难题［1-2］，在残矿开采过程中受到诸多因素影响，如何在保证安全的条件下，对残矿进行回采对矿山企业有着深远的意义［3-4］。回采残采过程中，为了更多、更好的采出矿石，一般采取充填的方式对对采空区进行处理。但是随着矿体开采深度及范围的不断增加，环境不断恶化［5］。同时该如何安全、高效、经济的开采充填体周边的矿体，也是矿山企业关心的问题［6］。现如今,在矿体开采、残矿回收、回采顺序优化方面，较常用的方法有：工程类比法、相似模拟试验法、遗传和神经网络算法、数值分析法等［7-11］。

2 矿体概况

13-2矿体位于老厂矿田南部竹叶山突起的东南侧，处于卡房分矿东部凹陷带的上凹处，夹持于近东西向断裂前坡山断裂和拉里黑断裂之间，矿体标高1830～2025m，范围246线至256线间，矿体沿花岗岩接触带（多个凹槽）呈北东向分布，经坑、钻工程揭露，252线至256线为一个块段（属2号凹矿体）、246线至249线为一个块段。矿体内穿有多层花岗岩和大理岩脉,部分为层状、似层状矿体。矿石为灰黑色致密块状硫化矿，部分由于受断裂影响呈破碎状或粉状硫化矿，矿体和夹层大理岩中等稳固，F=6～10，矿体上下盘均为花岗岩，风化蚀变带稳固性较差，F=3～7, 给开采带来了极大的困难。

3 计算模型的建立

（1）计算域。根据云锡卡房锡矿13-2矿体253～254地质剖面线的实际形态及与周边围岩之间的相互关系，建立三维有限元模型。模型长、宽、高分别为470m、350m、280m，即矿体走向取470m，矿体倾向取350m，高程方向取280m，共计241740个节点，56480个20节点三维等参单元。由于本次模拟13-2矿体距地表大约200m左右，矿体顶部为大理岩，利用高度与载荷的关系，对模型上部施加5.34MPa的均布荷载。实体模型单元网格划分及矿体模型分别见图1、2所示。

（2）边界约束：受采动影响，离采区较近时扰动较大，远离采区扰动较小，可将数值模型离采区较远的边界处位移视为零。因此，计算时分别在模型的底部、侧面施加位移约束。

（3）地应力设置：由于地应力相对比较复杂，云锡公司又没有实测数值。然而，大量实测工程表明，深度在400m左右是地应力的一个分水岭，深度400m以下水平和垂直应力基本趋于一致（λ=0.8～1.2），13-2矿体埋藏深度约有200m左右，以水平应力稍大于垂直应力(λ=1.15)为计算方案。

图1 13-2矿体253～254剖面三维有限元计算机模型网格剖分图

图2 13-2矿体253～254剖面矿体简化后形态分布图

4 分析方案

结合矿体的产状及赋存条件，本文首先考虑采用空场法进行开采，但由于矿石品位较高、围岩稳固性较差及花岗岩倒转等情况，为了提高回采率及矿体开采的稳定性，本文又采用了充填法开采模拟研究与空场法进行对比分析，力求找出适合本矿体开采的较优方案。

4.1 空场法开采

方案1、采场沿矿体走向布置，每隔16m留一条宽10m的连续间柱支撑顶板。

方案2、采场沿矿体走向布置，每隔12m留一条宽10m的连续间柱支撑顶板。

4.2 采用上向充填进路式采矿，进路宽度4m，高度4m

方案3、进路隔一采一，充填后开采另一条进路并进行充填。

方案4、进路隔三采一，充填后开采另外的进路并进行充填。

本次计算过程采用的矿体和围岩参数都进行了大量的分析和折减，由于取样过程中无法取到矿体上盘稳定性较差的花岗岩，结合课题组对云锡公司内部周边矿山花岗岩的认识对用于模拟的参数进行了优化选取。模拟分析中所采用的力学参数见表1所示。

表1 力学参数列表

5 计算结果分析

5.1 空场法开采方案采场顶板、周边围岩稳定性研究

方案1、采场沿矿体走向布置，每隔16m留一条宽10m的连续间柱支撑顶板。

方案2、采场沿矿体走向布置，每隔12m留一条宽10m的连续间柱支撑顶板。

模拟结果见图3～6。

图3 方案一、二开采后顶板及周边花岗岩拉应力分布图

图4 方案一、二开采后上盘及花岗岩铅锤位移分布图

图5 方案一、二开采后上盘及周边花岗岩安全率分布图

图6 方案一、二开采后上盘及周边花岗岩破坏域分布图

综合以上对空场法开采方案顶板、周边围岩稳定性的分析，从应力分布结果来看：矿体开采后，上盘及周边花岗岩处于拉应力状态，两种方案开采后上盘及周边花岗岩都出现了拉应力，最大拉应力分别为2.966和2.510；远远超出了折减以后顶板花岗岩自身的抗拉强度值0.673。从位移分布模拟结果来看：矿体开采后，方案一、二顶板位移分别为243、225，这对于有限元小变形软件而言是比较大的位移，此时顶板容易出现变形、垮塌和冒落。从安全率分布结果来看：采场宽度为16、12时最小安全率分别为0.912、0.937，远小于临界状态，说明此时顶板及侧帮花岗岩会出现大面积破坏。从塑性区分布结果来看：矿体开采后，顶板及边帮花岗岩均处于塑性状态，且连片现象较为明显，这是由于开采体上盘、边帮花岗岩稳定性较差且采动范围过大造成的，这种情况下顶板极易出现破坏。所以，采用空场法进行开采是不可行的无法满足要求。

5.2 上向充填进路式采矿方案顶板、周边围岩稳定性研究

方案3、进路宽度4m，高度4m，进路隔一采一，充填后开采另一条进路并进行充填（图7）。

方案4、进路宽度4m，高度4m，进路隔三采一，充填后开采另外的进路并进行充填（图8）。

模拟结果见图7～19。

图7 方案3进路隔一采一

图8 方案4进路隔三采一

图9 方案3、方案4进路形成后顶板最大主应力分布图

图10 方案3、方案4进路形成后顶板安全率分布图

图11 方案3、方案4进路形成后顶板垂直位移分布图

图12 方案3、方案4进路形成后顶板塑性区分布图

图13 方案4进路形成后顶板塑性区分布图

图14 方案4充填后顶板硫化矿最大主应力分布图

图15 方案4充填后硫化矿顶板垂直位移分布图

图16 方案4充填体安全率分布图

图17 方案4充填后硫化矿顶板安全率分布图

图18 方案3充填体塑性区分布图

图19 方案4充填后硫化矿顶板塑性区分布图

综合以上对上向充填进路式采矿方案的综合分析，整个分层充填结束后，充填体受到压应力为23.464MPa，说明充填体在支护过程中起到明显的作用；分层充填结束后，顶板硫化矿出现了1.156 mpa的拉应力，小于折减以后硫化矿的自身抗拉强度值约为2.143MPa，此时顶板相对稳定。从位移、安全率分布结果来看：顶板硫化矿最大位移仅为32mm，充填体和顶板的最小安全率分别为1.191、1.206，均大于临界状态。从塑性区分布结果来看：充填体上表面大部分进入了塑性状态，这充分说明充填体已经进入承载状态，所以说充填体虽然不能完全阻止围岩移动，但可以最大限度的限制围岩的变形和移动；充填完成后顶板塑性区较少，仅在局部有零星的塑性区出现，没有连片现象，此时顶板处于稳定状态。因此，采用进路式胶结充填采矿能极大的减弱上盘及周边围岩的变形，整体来看，采用进路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

5.3 回采顺序的确定

在确定了采矿方法及采场结构参数的基础上，针对253、254线厚大矿体的赋存条件，对矿体的开采顺序进行了多方案计算分析。由于矿体四周为稳定性较差的花岗岩，如果采场沿走向布置，在开采矿体与花岗岩接触部位时，花岗岩暴露时间较长，不利于采场稳定，而采用垂直走向布置，只是分层或者进路迎头与花岗岩接触，此时花岗岩暴露时间相对较短，利于采场充填前的稳定，所以采场建议垂直走向布置，在此前提下对矿体回采顺序进行以下方案的分析：

方案一：采场垂直走向布置，矿体从西往东开采。

方案二：采场垂直走向布置，矿体从东往西开采。

方案三：采场垂直走向布置，矿体从中间向两翼退采。

从各回采顺序方案顶板应力、位移、安全率数据（表2）及三个方案回采顺序开挖过程应力、位移、安全率变化曲线（图20～22）来看，针对13-2矿体253、254线厚大部分矿体的回采顺序可以灵活布置，考虑到上向分层或者进路的长度，一般控制在25m以内为宜。如采用中间向两翼退采，则进路相对较短，所以建议还是从矿体一侧往另外一侧顺序开采，考虑到花岗岩的实际情况，为了防止进路迎头垮塌，建议最后揭露稳定性较差的花岗岩附近的矿体，所以最终的回采顺序将是方案二：采场垂直走向布置，矿体从东往西开采。

表2 回采顺序各方案顶板应力、位移、安全率结果表

图20 不同回采顺序方案顶板拉应力变化曲线图

图21 不同回采顺序方案顶板垂直位移变化曲线图

图22 不同回采顺序方案顶板安全率变化曲线图

6 结论

通过对卡房13-2矿体253～254线矿体回采方案、采矿方法、采场结构参数及回采顺序的模拟分析，得出以下结论：

（1）卡房分矿13-2矿体花岗岩倒转的矿体，采用空场法进行开采是不可行的，无法满足安全要求。

（2）卡房13-2花岗岩倒转部分矿体，采用进路式胶结充填采矿能极大的减弱上盘及周边围岩的变形，整体来看，采用进路式回采隔三采一效果要好于隔一采一。

（3）13-2矿体253～254线较优的回采顺序是采场垂直走向布置，矿体从东往西开采。