阿舍勒铜矿厚大矿体回采顺序优化研究

唐匡仁 韩锋伟

（新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司 哈巴河 836700）

1 地质及开采技术条件

阿舍勒铜矿位于新疆阿勒泰地区，属于火山喷气沉积-变质热液叠加形成的块状硫化物铜锌矿床，铜工业储量近92 万吨。该铜矿主要由一号、二号矿床组成，其中，Ⅰ号矿体是一号矿床的主要矿体，其铜金属量占矿床总储量的97.43%，是矿床中最主要的工业矿体；Ⅰ号矿体赋存于第二岩性中亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩上部。

矿体顶板主要为下亚段的玄武熔岩层，底板为上亚段的英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩。褶皱后东翼顶板以英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩为主。底板为玄武岩；西翼矿体和转折端附近矿体顶板仍以玄武岩为主。底板则以英安质沉凝灰岩、含砾沉凝灰岩为主。调查统计地质钻孔岩芯RQD 发现，黄铁矿平均RQD 为81.2%，铜硫矿平均RQD 为70.9%，凝灰岩平均RQD为41.5%。RQD较低的凝灰岩遇水易软化、泥化、崩解、膨胀。

矿体总体呈南北向分布，铜矿矿体走向长度853m，最大垂深900m，矿体东翼平均厚度45m，西翼平均厚度20m，倾角55°～85°，具有储量大与水平厚度大等特点。铜矿石品位2.43%，主要矿物为黄铜矿，Zn、S 共生。依据应力测试结果，开采至800m 深度时，最大主应力为37.7MPa，水平应力接近垂直应力的1.5倍，矿区以水平构造应力为主。

2 采矿方法简介

通过比选，针对厚大矿体采用大直径深孔空场嗣后充填法。该方法采准及开拓工程布置较少，生产效率高、且相对安全。该采矿方法采场垂直矿体走向布置，采场宽为12m，高为中段高，一般为50m，当矿体厚度小于50m时，采场长为矿体宽度，当矿体厚度大于50m时，则布置两个采场，分上下盘进行开采。

目前，矿山采用隔三采一的回采方式进行一步骤回采，采场之间不留间柱，一步骤回采完毕之后进行胶结充填，再进行二步骤回采。二步骤采场开采时出矿穿脉借用已充填完毕的采场底部穿脉巷道，需进行二次开挖，通过残矿堆时进度较慢，危险较高。大直径深孔空场嗣后充填法结构主要包括顶部凿岩硐室、切割槽、底部结构等，该采矿方法示意图见图1。

图1 大直径深孔空场嗣后充填法示意图

矿体上盘凝灰岩遇水膨胀，强度降低，变形较大。随着开拓工程和采矿工作不断向深部发展，工程地质和矿体赋存条件将会变得越来越复杂，矿山地压显现变得越来越突出，合理的回采顺序对于地压控制、深部安全、高效、经济的矿体开采至关重要。

3 回采方案制定

50m 中段共有采场20 个，从北向南依次为北6、北5、北4、北3、北2、北1、0、1、2、3、4、5号。根据矿山深部开采现状，并考虑开采顺序和一二期矿房布置。共设计了四种回采方案。

方案一：隔一采一，由中间向两侧的回采方案

矿房开采顺序为2#采场、0#采场、北2#采场、4#采场、1#采场、北4#采场、3#采场、北1#采场、北6#采场、5#采场、北3#采场、北5#采场。

方案二：隔一采一，由两侧向中间的开采方案

矿房开采顺序为2#采场、北2#采场、北6#采场、4#采场、0#采场、北4#采场、5#采场、1#采场、北3#采场、3#采场、北1#采场、北5#采场。

方案三：隔三采一，由中间向两侧的开采方案

矿房开采顺序为5#采场、北5#采场、3#采场、北3#采场、1#采场、4#采场、北4#采场、北1#采场、2#采场、北6#采场、1#采场、北2#采场。

方案四：隔三采一，由两侧向中间的开采方案

矿房开采顺序为5#采场、北6#采场、1#采场、北2#采场、3#采场、北4#采场、北1#采场、4#采场、北5#采场、0#采场、北3#采场、2#采场。

3 模型构建及参数取值

3.1 本构模型

本次方案研究采用数值模拟分析法，通过FLAC3D软件仿真模拟开采全过程，分析不同回采方案中的应力、应变特征，进而优选回采顺序方案。

本次模拟对象为岩土工程特性，因此选择莫尔库伦模型，该模型所采用的破坏准则为摩尔库仑准则和最大拉应力准则，破坏准则在最大和最小主应力面表示见图3。

3.2 模型构建

FLAC3D 计算模型应严格控制研究区域内的网格密度，减小外围区域的网格密度。根据以上原则，该铜矿计算模型长2270m，宽1450m，高1300m，共236838个节点，1380664个单元体。计算模型地表高低起伏依据实际地表地形建立的。根据地表地形图的等高线分布情况，按照等高线的高程及疏密程度建立地表模型。

图4 开采计算模型

图5 矿体模型构建

3.3 参数取值

针对岩体力学参数的获取问题，各国学者进行了大量的研究，常见的方法主要有数值法、经验强度折减法、试验法和地球物理等方法。实践证明，综合考虑多因素的Hoek-Brown 强度准则评估岩体力学参数的方法是目前最完善的方法之一。

本次岩体力学参数采用Hoek-Brown 强度准则进行折减，折减后的矿体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

4 计算结果分析

4.1 深部采区应力分布特征分析

（1）方案一回采过程应力分布特征分析

当开采至第三个采场时，在每个采场的顶板区域都形成了压应力集中，压应力数值为45～50MPa，采场顶部的应力集中区已和上个开采组合引起的应力集中区域贯通。在开采采场的南北两侧分别形成了压应力集中区域，其数值甚至高达55～60MPa。

图6 方案一开采过程中最大主应力分布特征

（2）方案二回采过程应力分布特征分析

当开采完四个采场时，在每个采场的顶板区域都形成了小范围的压应力集中，压应力数值为45～50MPa，同时，在相邻的两个一期矿房的顶板区域形成了一定区域的压应力集中区。值得注意的是，在矿体中间未开采的区域形成了应力集中区，应力达到50～55MPa，此区域应力集中程度较高，开采该区域时易引起岩爆、冒顶或岩体垮塌事故。在该中段矿体南翼，开采扰动区域较小，矿体北端应力扰动区域范围较大。

图7 方案二开采过程中最大主应力分布特征

（3）方案三回采过程应力分布特征分析

当开采完三个采场时，在每个采场的顶板区域都形成了小范围的压应力集中，压应力数值为45～55MPa，同时，在相邻的两个一期矿房的顶板区域未形成明显的应力组合拱。在靠近矿体南端的两个采场之间出现了应力集中现象，应力最高达到50～55MPa。在矿体北端的相邻的一期矿房内部未出现明显的应力集中。该开采区域的两端仍然是已出现应力集中的区域。在该中段开采区域的南侧，应力最大45MPa，应力集中程度并不是很突出。在该中段开采区域北侧，形成了范围较大的应力集中区，最大应力达50MPa。

图8 方案三开采过程中最大主应力分布特征

（4）方案四回采过程应力分布特征分析

当开采完四个采场时，同样在每个采场的顶板区域都形成了小范围的压应力集中，压应力数值为40～45MPa。在开采中段南端的两个相邻采场之间的矿柱形成了应力集中区，应力达到50～55MPa，其范围主要分布在开采中段采场的底部。在开采区域的南侧和北侧都生成了应力扰动区，开采区域南侧的应力扰动区范围较小，开采区域北侧的应力扰动区范围较大。这两处应力扰动区均处于卸压状态。

图9 方案四开采过程中最大主应力分布特征

4.2 结果分析与方案优化

对比四种方案的应力分布可以看出，当地应力较小时，相邻采场之间的矿柱不易形成应力集中，当地应力较高时，相邻采场之间的矿柱越小（矿柱宽度为一个采场宽度），越不容易出现应力集中，矿柱越大（矿柱宽度为三个采场宽度），越容易出现应力集中。

因此，在围岩完整性较好时，应尽量采用隔一采一、中间向两侧的开采方式。当围岩完整性较差时，为保证二期矿房的稳定性，应采用隔三采一、中间向两侧的开采方案。参考50m、100m 中段RQD 分布，应采用隔三采一、中间向两侧的开采方案。

表2 阿舍勒铜矿深部采区开采最大主应力

5 结论

随着开采深度的增加，主应力的数值和集中程度都在不断增加。在开采中段的顶板、底板区域容易形成应力集中，且顶板容易形成拉应力集中。模拟获得的应力分布特征与微震视应力分布、变形区域分布规律类似，在150m 中段矿体南端、50m 中段矿体南端易形成应力集中，集中程度高于150m 中段、50m 中段矿体的中间位置。随着开采中段采场的开采，在0m 中段、150m 中段采场的顶板区域形成了应力拱。

对比隔一采一、中间向两侧开采，隔一采一、两侧向中间开采，隔三采一、中间向两侧开采，隔三采一、两侧向中间开采四种方案的应力分布可以看出，当地应力较小时，相邻采场之间的矿柱不易形成应力集中，当地应力较高时，相邻采场之间的矿柱越小（矿柱宽度为一个采场宽度），越不容易出现应力集中，矿柱越大（矿柱宽度为三个采场宽度），越容易出现应力集中。因此，在围岩完整性较好时，应尽量采用隔一采一、中间向两侧的开采方式。当围岩完整性较差时，为保证二期矿房的稳定性，应采用隔三采一、中间向两侧的开采方案。依据50m、100m 中段RQD 分布，应采用隔三采一、中间向两侧的开采方案。