云南某铅锌矿采场护顶层回采方案优化研究

李旺

摘要：采场顶板的稳定是保障井下作业人员安全和降低矿石贫化损失的关键。针对该矿山氧化矿采场顶板不稳固、回采容易脱落等问题，采用了膏体充填法取代了原先的分层崩落法。为有效衔接两种方法的回采工艺，依据护顶层厚度、进路断面尺寸和支护钢架间距，提出4种护顶层回采设计参数，并采用数值分析方法对其采场护顶层的回采方案展开优化研究。数值计算分析表明：采用钢支架方案时，从其顶板的位移值和塑性区均显示进路为3m×3m，护顶层厚度1m、钢架间距0.5m为最优回采方案，不仅能够维护采场的基本稳定，同时大大提高了资源利用率，为矿山的安全生产提供了良好的作业环境，也为矿山带来良好的经济效益，对同类采场作业环境的回采设计提供了一定参考。

关键词： 护顶层回采;结构面调查;采场稳定;方案优化

Abstract： The stability of stope roof is the key to ensure the safety of underground operators and reduce ore dilution loss. In view of the problems of unstable roof and easy falling off during stoping， paste filling method is adopted instead of the original slicing and caving method. In order to effectively connect the two methods of mining technology， according to the thickness of the top protection layer， the size of the access section and the support steel frame spacing， four mining design parameters of the top protection layer are proposed， and the numerical analysis method is used to optimize the stope top protection mining scheme. The numerical calculation and analysis show that： when adopting the steel support scheme， the displacement value and plastic zone of the roof show that the drift is 3m×3m， the thickness of the protective top layer is 1m， and the spacing between steel frames is 0.5m. It can not only maintain the basic stability of the stope， but also greatly improve the utilization rate of resources， which provides a good working environment for the safety production of the mine， and also brings good economic benefits for the mine and provides a certain reference for mining design of similar stope working environment.

0  引言

提高資源利用率、降低矿石损失贫化和维护采场作业环境的安全，是每一位采矿人员追求的目标，然而地下工程环境差异较大，往往存在很多采场围岩破碎、不稳固，在回采过程中容易出现冒落，危害采场作业人员安全。安全高效生产是众多矿山亟待解决的重要课题，矿山管理者必须从多个维度制定不同的回采方案，合理的回采顺序，合理的回采参数，其是保障矿山采场稳定性的重要基石[1-4]。在地下岩体经过工程开挖扰动后，导致应力重新分布，高应力环境下，深部岩体的应变能高度聚拢，动力灾害日趋明显[5-7]。目前，在针对维护采场稳定性方面，众多学者对采场结构参数与回采顺序的优化做了大量研究。如李家卓等[8]应用计算机模拟、理论分析、现场实测等综合研究方法，分析了煤层群开采条件下失稳机理，再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道围岩力学环境;罗周全等[9]为了充分回收矿产资源，综合分析该矿山开采现状、矿山压力及矿床地质概况，提出三种采场结构初步方案，采用三种采场结构初步方案，并对其进行优化得到了采场处最有利的力学状态和采场变化时的力学响应特征;安龙等[10]针对高应力环境下的深厚矿体，基于产能、技术和经济指标要求，提出了4种矿柱回收顺序和5种合理的矿房回采顺序;刘钦等[11]为研究三山岛金矿采场稳定性，采用ANSYS有限元数值模拟，计算出不同采场结构参数下的应变和围岩应力状况，并研究矿柱在采矿过程中的力学作用，有效揭示了回采过程中矿柱的应力转移特征;王臣[12]通过对无底柱分段崩落法采场结构参数的计算与分析，得出了结构参数综合的赋存状态，采场地压，矿山凿岩，出厂设备等因素影响，从而使采场结构得到最优化，确保了矿山可持续发展。

基于上述对采场参数和回采工艺的研究，不难看出，在维护采场稳定的情况下，在回采顺序和采场结构参数的优化方面作了较多研究，然而，结合采场护顶层设计和支架共同作用下的回采工艺相对较少，文章基于此出发点。不仅考虑采场的“维稳”，同时注重提高矿石的回收率，改善矿山矿产资源的利用率，间接提高了矿山的经济价值。为此，文中将采用FLAC3D对不同回采方案和采场护顶层设计参数进行优化与分析，优选出适合于矿山的回采方案与采场护顶层留设参数，对同类矿山的采场设计具有较好的参考价值。

1  矿山采场工程概况

该矿山1#矿体上部氧化矿属不稳固矿体，以氧化矿为主，含有少量硫化矿，氧化矿结构疏松，采矿作业过程中矿岩整体强度低。1#矿体赋存在矿山厂背斜南东翼下石炭统摆佐组中上部粗晶白云岩和灰色灰岩中，大致顺层产出，走向45～50°，倾向南东，倾角45～55°，平均厚度12.45m。矿石工业类型主要为混合矿和氧化矿两大类，氧化矿又进一步分为土状氧化矿和混合型氧化矿两类。土状氧化矿分布于1800m标高以上，混合型氧化矿分布于1934～1844m标高之间，混合矿分布于1884m标高以下。铅锌品位在18%以上。

该矿上部氧化矿前期使用分层崩落法回采，末采分层分别为1964m以及1934m（图1所示），因氧化矿疏松和下向式分层崩落法产能低、贫化损失大以及采矿成本高等，氧化矿已全部停止使用分层崩落法进行回采，取而代之使用安全系数较高、贫化损失小、机械化程度高的膏体充填采矿法，该采矿方法可有效维护围岩稳定，减少围岩移动和防止采空区大面积冒落。

2  采场岩体结构面空间分布统计分析

结构面情况的差异是区别岩体不同结构面的重要标志，是岩体工程地质特性千变万化的根源。结构面越多，被它们所切割而成的岩块就越多;结构面的组数越多，岩块的几何形态就越复杂，岩体则越破碎。在岩体中，结构面往往按照它们的生成关系，构成一定的组合，呈有规律的分布，它们既有成组发育的特点，又有一定的分散性，而且各组结构面在其规模和发育程度，如数量、密度等也常常很不平衡。在经受多次构造运动后，岩体中的结构面更呈现出既有规律又极其复杂的空间分布状态。为了确定岩体中结构面发育的组数和各组结构面的发育程度，掌握结构面的分布规律，采用极点等密图法进行结构面得统计分析，根据极点等密图统计的结果寻找优势结构面。对现场实测的岩体结构面产状，应用Rocscience Dips V5.103生成走向玫瑰花图和极点等密度图见图2～图3，根据节理极点密度等值线图确定的优势节理组及其产状。从统计结果看，白云岩发育有一组优势结构面，其产状为：倾向在225～243°之间，倾角在85～88°之间。结构面优势倾角较大，对矿柱和围岩的稳定极为不利。

3  护顶层回采方案优化模型的建立

3.1 基本假设

在上部空区崩落的情况下，在预留护顶层下通过进路回采矿体，进路回采后采用钢架进行支护，当进路回采后，需拆除钢架进行充填。由于这一采矿过程的复杂性，在实际三维力学建模过程中，为了模型的计算精度以及可靠，需对模型做适当的简化，但简化不会影响工程计算的实质问题。

3.2 模型的建立

①计算域：为了满足计算需要和保证计算精度，并根据研究范围大小，本次计算模型尺寸设置为150m×100m×90m，即垂直矿体走向方向取150m（x方向），沿矿体走向方向取100m（y方向），垂直方向取90m （z方向，1890～1980m），重點分析矿山厂6号至8号勘探线之间1932m高程下氧化矿体在开采过程预留不同护顶层厚度时的安全性与可靠性。结合矿山实际，利用高度与载荷的关系，对模型上部施加覆岩重量的均布荷载。对于上部崩落空区，由于有限差分发模拟崩落空区的较难，因此在实际模拟过程中，先将上部空区开挖，计算平衡后，再以较低崩落散体岩体力学参数进行赋值计算，依此来模拟上部崩落空区散体对护顶层的重力荷载。模型共计294934个节点，281820个单元。三维力学模型图见图4所示;上部崩落空区、护顶层与回采进路相互关系图见图5所示，进路钢架支护示意图见图6所示。

②地应力设置：根据矿区实测地应力结果，矿区的地应力以水平构造应力为主导，最大主应力的方位大致呈NNW向，最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力值随埋深的回归特性方程如公式（1）-公式（3）：

③边界条件：计算域边界采取位移约束。由于采动影响范围有限，在离采场较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为零。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，xy所在平面采用z方向约束，yz所在平面采用x方向约束。

3.3 计算方案

采用进路式回采，回采时采用“隔二采一”的方法，总的回采顺序1、4、7、10、15号矿房，然后为2、5、8、14、11号矿柱，再采3、6、13、9、12号矿房等，即：1号进路回采支护—4号进路回采支护同时充填1号进路—7号进路回采支护充填4号进路—10号进路回采支护。对于断面为4m×4m的进路，当不够隔二采一时，改为隔一采一。拟预留护顶层分别为1m和0.5m，回采进路采用工字钢支护，进路断面为3m×3m和4m×4m，钢架间距为0.5m和1m。不同组合方式见表1所示。

3.4 计算采用本构模型及岩体参数

计算中采用莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩石的破坏，如公式（6）：

式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，C，φ分别是粘结力和摩擦角。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩石的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3？叟σT）判断岩石是否产生拉破坏。根据现场地质调查和室内岩石力学试验结果计算得岩体力学参数见表2所示。

4  数值计算结果分析

鉴于篇幅限制，未将所有计算分析结果一一显示，仅罗列四种方案中垂直位移计算结果（图7），根据计算结果分析出各方案下垂直位移曲线（图8），水平位移曲线（图9）。

计算结果表明，钢架的间距对进路的支护效应比较明显。随着钢架间距由0.5m增加到1m，进路顶板的护顶层的位移明显增加;随着护顶层的厚度从1m减小至0.5m，在同等条件下进路顶板护顶层的垂直位移有明显的增加;在护顶层厚度本身不大且钢架间距扩大的情况下，进路顶板护顶层垂直位移位移持续增加。各进路回采后，随着方案①至方案④，各进路顶板最大垂直位移整体呈逐渐增大趋势;且从方案②开始，顶板护顶层破坏比较严重。综合对比分析，进路断面为3m×3m时，预留护顶层为1m和0.5m并进行支护情况下的四种方案中，方案①最优，即进路断面3m×3m，护顶层厚度1m，钢架间距0.5m方案基本能够保证各进路的顺利回采。

5  结论

①对白云岩进行了现场结构面调查，调查显示白云岩节理发育、大部分属于急倾斜结构面，存在一组优势结构面，其倾向在225～243°，倾角在85～88°之间。

②采用FLAC3D三维数值计算软件对四种方案的计算结果进行了优选和分析。采用进路为3m×3m时，护顶层厚度1m、钢架间距0.5m为最优回采方案，该方案不仅能能满足进路回采后充填过程中护顶层与进路的稳定性，同时能扩提高矿石回采率，具有较好的经济价值。

参考文献：

[1]王李管，任助理，潘传鹏，陈鑫.基于混合整数规划法的采场回采顺序优化分析[J].中国有色金属学报，2016，26（01）：173-179.

[2]胡建华，习智琴，罗先伟，周科平，艾自华.基于岩体时变力学参数的深部矿段回采顺序优化[J].中南大学学报（自然科学版），2017，48（10）：2759-2764.

[3]刘晓明，杨承祥，罗周全.深井开采回采顺序数值模拟优化研究[J].南华大学学报（自然科学版），2008，22（04）：15-21.

[4]王李管，任助理，潘传鹏，陈鑫.基于混合整数规划法的采场回采顺序优化分析[J].中国有色金属学报，2016，26（01）：173-179.

[5]Xie Liangtao，Yan Peng，Lu Wenbo， et al. Comparison of seismic effects during deep tunnel excavation with different methods[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2018， 17（03）： 659-675.

[6]謝和平.“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望[J].工程科学与技术，2017，49（02）：1-16.

[7]康红普.煤矿井下应力场类型及相互作用分析[J].煤炭学报，2008，33（12）：1329-1335.

[8]李家卓，张继兵，侯俊领，王磊，殷志强，李传明.动压巷道多次扰动失稳机理及开采顺序优化研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32（03）：439-445.

[9]罗周全，管佳林，冯富康，徐海.盘区隔离矿柱采场结构参数数值优化[J].采矿与安全工程学报，2012，29（02）：261-264.

[10]安龙，徐帅，任少峰，张雄天.深部厚大矿体回采顺序设计及优化研究[J].东北大学学报（自然科学版），2013，34（11）：1642-1646.

[11]刘钦，刘志祥，刘爱华，李威.金矿采场结构参数混沌优化[J].采矿与安全工程学报，2010，27（04）：548-552.

[12]王臣，赵铁成.无底柱分段崩落法采场结构参数确定探讨[J].价值工程，2013，32（33）：324-326.