云南某铅锌矿采场护顶层回采方案优化研究.pdf

Value Engineering 0 引言 提高资源利用率、 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耀50毅，倾向南东，倾角 45耀55毅，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耀1844m 标高之间，混合矿分布于 1884m 标高以下。 铅锌品位在 18以上。 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要 作者简介院李旺 （1977-） ， 男， 河北定州人， 采矿工程师， 研究生， 研究方向为岩石力学。 云南某铅锌矿采场护顶层回采方案优化研究 Study on Optimization of Mining Scheme for Roof Protection of a Lead Zinc Mine in Yunnan Province 李旺淤LI Wang曰刘洋于LIU Yang曰李劼淤LI Jie （淤驰宏科技工程股份有限公司， 曲靖 655011； 于昆明理工大学国土资源工程学院， 昆明 650093） （淤Chihong Technology and Engineering Co.， Ltd.， Qujing 655011， China； 于Faculty of Land Resources Engineering of KUST， Kunming 650093， China） 摘要院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伊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。 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 is adopted instead of the original slicing and caving . In order to effectively connect the two s 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 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伊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. 关键词院 护顶层回采； 结构面调查； 采场稳定； 方案优化 Key words top protection mining； structural plane investigation； stope stability； scheme optimization 中图分类号院TD853.391文献标识码院A文章编号院1006-4311 （2020） 26-0159-04 159 价值工程 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。 图 1 1 矿体上部氧化矿开采现状剖面图 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毅之间， 倾角在 8588毅之间。 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 淤计算域 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伊100m伊 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耀 1980m） ，重点分析矿山厂 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。 图 2 调查地点 1 等密度图和玫瑰花图 图 3 调查地点 2 等密度图和玫瑰花图 160 Value Engineering 图 9 各进路回采保护顶层最大水平位移曲线图 表 1 不同方案计算参数的组合方式 方案进路断面护顶层厚度钢架间距 方案淤 方案于 方案盂 方案榆 3m伊3m 3m伊3m 3m伊3m 3m伊3m 1m 1m 0.5m 0.5m 0.5m 1.0m 0.5m 1m 岩性 密度 /g/cm3 抗拉强度 /MPa 白云岩 氧化矿 2.69 2.20 0.52 0.03 变形模量/ GPa 凝聚力 /MPa 内摩擦角/ 毅 泊松比 7.76 0.82 0.48 0.026 32.87 27.67 0.29 0.30 表 2 岩体力学参数选取表 图 8 各进路回采保护顶层最大垂直位移曲线图 于地应力设置 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） 滓hmax0.0343H-10.0451（1） 滓hmin0.0102H-0.1412（2） 滓z0.0097H6.1836（3） 在本次计算中， 根据矿区实测地应力回归方程， 根据 计算域深度 （510m） 对模型施加以相应的水平构造应力， 经计算 最大水平主应力如公式 （4） 滓hmax0.0343H-10.04517.4479MPa（4） 最小水平主应力如公式 （5） 滓hmin0.0102H-0.14125.0608MPa（5） 盂边界条件 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伊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伊3m 和 4m伊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） （6） 式中， 滓1、 滓3分别是最大和最小主应力， C， 渍 分别是粘 结力和摩擦角。 当 fs0 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 （滓3叟滓T） 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） 。 图 4 三维力学模型图 图 5 上部崩落空区袁护顶层与回采进路相互关系图 图 6 进路单排钢架示意图 161 价值工程 图 7 各进路回采护顶层最大垂直位移曲线图 （c） 方案盂回采过程垂直位移云图（d） 方案榆回采过程垂直位移云图 （a） 方案淤回采过程垂直位移云图（b） 方案于回采过程垂直位移云图 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 案淤至方案榆， 各进路顶板最大垂直位移整体呈逐渐增大 趋势； 且从方案于开始， 顶板护顶层破坏比较严重。 综合对 比分析， 进路断面为 3m伊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， 方案淤最优， 即进路断 面 3m伊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 淤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 225243毅， 倾角在 8588毅之间。 于采用 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伊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。 参考文献院 [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. 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