三鑫金铜矿残矿保护性开采方案研究

郭士岩 任高峰 王维 雷高 柯波 张聪瑞

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉 430070； 2.武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室 武汉 430070； 3. 湖北三鑫金铜股份有限公司 湖北黄石 435100)

0 引言

随着地表资源日益枯竭，矿物资源变得日益稀缺，如何最大程度地回采矿物资源一直是矿山企业研究的重点。深部采矿主要的采矿方法为充填采矿法，通常留有大量顶底柱作为充填体的底板，此部分资源往往赋存条件极为复杂，受周边充填体强度的影响[1]，充填体下底柱的回收是践行矿山企业可持续发展理念的重要方式，也是近几年来学者研究的重点。

充填体下除了如何安全回采出底柱矿石，同时还需要考虑开挖底板和矿房是否相互影响，既能让底板和矿房的矿石协同开采，不影响安全生产，又同时保证矿石量的正常供应是当下研究的热点。温军锁等[2]利用数值模拟软件对金厂峪金矿进行模拟计算，得出合理的残矿回采方案；蔡汉玉等[3]采用层次分析法与模糊数学理论对比三种不同采矿方法，遴选出对残矿回采最优的采矿方法；史秀志等[4]利用数值模拟软件和薄板理论对充填体假顶厚度进行研究，顶底柱残矿回收有一定的指导意义；商欢迪等[5]通过数值模拟和现场监测方法对程潮铁矿残矿回采引起地表变形进行研究；孙健等[6]对呷村银多金属矿的残矿回收顺序、回收方法进行了优化研究；刘涛等[7]对矿体围岩进行力学试验和质量评价，结合数值模拟结果对残矿回采顺序进行优化；刘慧等[8]确定残矿回收区域的矿房结构参数，开展了残矿回收方案研究，提出了多种回采方案进行优化研究。上述研究多停留在理论研究，制定的回采方案与矿山现有计划的契合相对薄弱。

本文通过对三鑫公司桃花嘴-570中段～-720中段的岩体现场地质调查、矿岩物理力学测试，利用Mathew法对矿房稳定性计算，对矿房和底柱协同开采技术条件进行全面分析；为三鑫公司桃花嘴-570中段～720中段制定了10年回采计划，结合数值模拟计算进行可行性研究。通过上述研究论证本研究方案应用于矿房和底板协同回收的可行性，为进一步解决目前矿山留存大量底板的问题，延长企业开发利用年限，增加矿山企业经济效益，为地下矿山企业提供有益参考。

1 工程概况

湖北三鑫金铜股份有限公司矿床类型为矽卡岩型，矿山主要有桃花嘴和鸡冠嘴两个矿区，供矿主力中段为桃花嘴矿区本研究中段，此研究中段包括-570中段、-620中段、-670中段和-720中段，目前矿山生产能力3 000 t/d，三鑫公司将整个中段矿房回采充填完毕后，最后回采中段底柱，回采完毕的中段存在大量底柱，需要二次回采，严重制约了矿山可持续发展。目前研究中段大部分中段采准切割都已经完成，同时-570中段已经进行了回采工作，在符合矿山现有的采准切割工程基础之上，要保证回采安全以及底柱与矿房协同开采的需要，因此需要制定出有针对性的协同回采方案。根据协同开采的理论，上下中段勘探线之间矿房回采充填完毕后，回采底柱，可以达到矿房-底柱协同开采，避免中段回采完毕后留有大量底柱。

2 现场调查

2.1 现场节理裂隙调查

为了探究桃花嘴调查区域的节理裂隙发育情况，在桃花嘴研究中段布设合理测线共14条，总长307 m，详细调查472条结构面裂隙，平均每米1.54条。通过调查桃花嘴优势结构面为58°∠66°。图1为桃花嘴调查区域等密图。

图1 桃花嘴调查区域等密图

2.2 现场物理力学性质试验

为了调查研究中段各分段矿石和围岩的物理力学性质，在各中段共选取152组岩样进行点荷载试验，包括64组围岩试样、88组矿石试样。测得围岩和矿石点荷载强度均值分别为4.32 MPa和3.90 MPa。

单轴抗压强度计算公式见式(1)[9]：

Rc=24Is(50)

(1)

式中，Rc为单轴抗压强度；Is(50)为直径50 mm标准试件的点荷载强度指数。计算后得到单轴抗压强度分别为 106.3 MPa、93.6 MPa。

2.3 Mathew法矿房稳定性研究

Mathew法于1980年提出后，广泛应用于判断采场的总体稳定性。其主要原理为利用NGI岩体分级指标Q计算岩体稳定性指数N[10]，确定采场结构参数并计算采场暴露面形状系数S(或称水力半径)，建立岩体稳定性指数N与采矿暴露面积形状系数S之间关系，判断采场的总体稳定性。

2.3.1 稳定性指数N

稳定性指数N的计算如式(2)：

N=Q′·A·B·C

(2)

式中，Q′为修改的NGI岩体质量指数；A为应力系数；B为岩体缺陷方位修正系数；C为设计采场暴露面方位修正系数。

岩体质量指数Q作为岩体稳定性分级的标准，Q值为修改的NGI岩体质量指数Q′。其中Q值用式(3)计算：

Q=R·Jr·Jw/(Jn·Ja·Sf)

(3)

式中，R为岩体质量指标(取样完好率)；Jr为节理粗糙度；Jw为节理裂隙水折减系数；Jn为节理组数，主要用来评价围岩及矿体的质量；Ja为节理蚀变、充填及胶结程度；Sf为应力折减系数，取Sf=1。根据前期现场调查各参数选取见表1。

表1 岩体质量各参数取值 %

可算得Q=6.19，考虑到实际工程地质条件的变化，取Q=6。

(2)岩体缺陷方位修正系数B。确定节理方向调整因子B的方法需要考虑关键节理与采场的倾向相对差别外，还需考虑倾向的相对差别。根据现场工程地质调查情况，本次研究B可取0.7～0.9。

(3)设计采场暴露面方位修正系数C。水平暴露面的修正系数C值取1，对于其他面的C值可用式(4)计算：

C=8-7cosα

(4)

式中，α为暴露面与水平面的夹角。根据前文研究570中段～720中段矿体倾角优势角度为66°，则计算C值为5.153。综合上述分析计算过程，仅考虑稳定系数，可得N的取值为10.82～13.91。

2.3.2 形状因子S(水力半径R)

水力半径R(或形状因子S)反映了采场的尺寸和形状。当采场形状复杂时，水力半径可能不足以描述几何形状对稳定的影响。本研究采用形状因子S作顶板稳定性的评价指标。

任何井下的暴露面均可认为是由两个方向的跨度组成，即认为是一个长方形。形状因子的定义为面积与周长之比，如式(5)：

S=LL1/2(L+L1)

(5)

式中，L为采场宽度；L1为采场长度。值得注意的是，当暴露面长宽之比大于4∶1时，此时的形状因子基本保持不变，即此时暴露面的稳定性主要受暴露面宽度的影响。

2.3.3 采场形状因子S

基于对数回归分析改进的Mathews稳定图见图2。

图2 基于对数回归分析改进的Mathews稳定曲线

图2中稳定-破坏线满足关系式(6)：

lgN=1.948 7lgS-0.463 6

(6)

图2中破坏-崩落线满足关系式(7)：

lgN=1.948 7lgS-2

(7)

稳定性指数N为10.82～13.91，根据式(6)和式(7)得到采场稳定的形状因子为10.08～11.46，若取最大值，则采场稳定暴露面积的形状因子为11.5。

2.3.4 采场的稳定暴露面积和极限暴露面积

矿体顶板Mathew稳定性图评价见表2。

表2 矿体顶板Mathew稳定性图评价

综上，建议采场的跨度小于20 m比较合理，需要及时支护顶板才能保持采场稳定性，采场最大的暴露面积为800 m2，此时可尽可能发挥岩体的自支承能力。

3 数值模拟计算

3.1 方案初选

三鑫公司将整个中段矿房回采充填完毕后，最后回采中段底柱，回采完毕的中段存在大量底柱，需要二次回采，严重制约了矿山可持续发展。根据协同开采的理论，上下中段勘探线之间矿房回采充填完毕后，回采底柱，可以达到矿房-底柱协同开采，避免中段回采完毕后留有大量底柱。

前期三鑫矿业已经对研究中段部分进行了回采，采准开拓工序大部分已经完成，同时制订了10年回采计划，为了尽可能小地影响矿山企业现有的回采计划，同时保证企业高效安全地回采矿房和底柱。

3.2 数值模拟构建

利用前文Mathews所优化的矿房尺寸，采用不改变矿山矿房尺寸及回采方法，针对矿房-底柱协同开采。根据桃花嘴14#勘探线以东研究中段的形状特征，利用ANSYS建立相似矿体及围岩模型并划分网格，构建的数值计算模型长600 m，宽500 m， 高 280 m，模型z向标高为0～-680 m，模型建立完毕后，导入FLAC3D，利用FLAC3D对矿房、底柱开挖充填进行数值模拟，采用摩尔-库伦本构模型。

数值模拟的相关力学参数引用矿山原有参数，并对相关参数进行了相应的工程折减， 结果如表3所示。

表3 数值模拟参数选取

3.3 地应力计算

地应力值随深度变化的规律[10]，按照线性回归如式(8)方程：

σ=kH+b

(8)

式中，σ为在不同深度的应力值，MPa；H为深度，m；k、b为线性方程参数。

根据大冶铁矿地应力测试结果， 得出以下地应力方程，并将此结果运用到三鑫矿区，直接施加到数值模型上。

σmax=0.042H，σmin=0.028H，σh=0.027H。

建模后按照模型的实际深度计算地应力，并以x、y、z轴为加载方向施加主应力。固定边界后，以最大不平衡力为收敛条件，求解至平衡，并将地应力引起的位移值归零。此时模型可以近似代表矿体在进行地下开采前的实际状态，用于后续的开挖计算。

3.4 数值模拟计算结果分析

本研究重点分析矿房-底柱协同开采的应力、位移分布规律，根据数值计算结果分析每年回采、充填围岩及矿体的变化情况，得出位移随着回采矿房的演变和矿山最大主应力与年份之间的关系如图3所示，可以看出：随着开挖年限的增加，矿房最大沉降量逐年增加，增加幅度先较快，在2023年后增加幅度变缓，主要原因为在2023年主要开挖-570中段和-620中段的矿体，开挖的矿体较为集中，导致矿房的位移量增加得较快；在2030年末，-570～-720中段开采完毕后，如图4可以看出最大位移出现在-570中段，矿房下沉量为10.1 cm，能够保证矿山的安全运行。图5为2030年矿房最大主应力,可以发现最大主应力先快速减小后趋于稳定，说明充填体能有效减少最大主应力值。

图3 开采位移变化值

图4 2030年矿房位移

图5 2030年矿房最大主应力

4 结论

(1)为了了解三鑫矿山赋存矿石与围岩的地质条件，对研究中段地质条件进行测量，得出所测量的中段的优势结构面为58°∠66°；同时，对矿石和围岩进行了力学试验，得出了主要的力学参数。

(2)基于前期地质考察结果，利用Mathew法对矿房稳定性进行了研究，得出采场最大的暴露面积，制定不同矿房尺寸，选择出最佳的开挖暴露面积，发挥最大的矿房的自承能力，保证矿山的安全运营。

(3)结合当前矿山现有的开挖条件，根据调查结果，制定了三鑫矿山矿房和底柱协同回采方案，通过FLAC3D模拟软件进行了计算，2030年发现顶板累计z方向的最大位移达10.1 cm，符合安全生产要求。