获各琦铜矿深部开采顺序优化研究.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６０７Ｎｏｖｅｍｂｅｒ．２０１９现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６０７期２０１９年１１月第１１期邓国屏（１９８４），男，工程师，８１００００青海省西宁市五四大街。获各琦铜矿深部开采顺序优化研究邓国屏闫海鹏（西部矿业股份有限公司）摘要随着获各琦铜矿开采深度增加，通过地压显现发现采场顶板垮塌、冒落与主要开拓巷道片帮等地压活动与现有开采顺序有关。为了缓解上述问题，选择合理的开采顺序，以数值模拟为手段，建立矿山数值模拟，以深部中段开采顺序为研究对象，分析了中央向两翼开采与两翼向中央开采条件下，中段塑性区、应力分布、位移分步、能量等特征。结论表明两翼向中央回采时，巷道及采场的受力及形变等特征均优于中央向两翼回采。因此，建议获各琦铜矿深部开采采用两翼向中央回采的开采顺序。关键词开采顺序数值模拟两翼向中央ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０１９．１１．０３６ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＤｅｅｐＭｉｎｉｎｇＳｅｑｕｅｎｃｅｉｎＨｕｏｇｅｑｉＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅＤｅｎｇＧｕｏｐｉｎｇＹａｎＨａｉｐｅｎｇ（ＷｅｓｔｅｒｎＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈｉｎＨｕｏｇｅｑｉＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｒｏｏｆｃｏｌｌａｐｓｅａｎｄｃａｖｉｎｇｏｆｓｔｏｐｅａｎｄｍａｉｎｏｐｅｎｉｎｇｒｏａｄｗａｙａｒｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｉｎｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｌｌｅｖｉａｔｅｔｈｅａｂｏｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｍｉｎｉｎｇｓｅ  ｑｕｅｎｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｍｉｎｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｍｅａｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔａｋｅｓｔｈｅｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇａｓｔｈｅｍｅａｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅ，ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｔｅｐｂｙｓｔｅｐａｎｄｅｎｅｒｇｙｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｃｅｎｔｒａｌｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｗｏｗｉｎｇｓａｎｄｃｅｎｔｒａｌｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｗｏｗｉｎｇｓ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙａｎｄｓｔｏｐｅａｒｅｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｔｗｏ  ｗｉｎｇｍｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇｉｎＱｉＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅｓｈｏｕｌｄｂｅｆｒｏｍｔｗｏｗｉｎｇｓｔｏｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｍｉｎｉｎｇ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＭｉｎｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｔｗｏｗｉｎｇｓｔｏｔｈｅｃｅｎｔｅｒ获各琦铜矿采用上向水平分层充填采矿方法，中段开采顺序为中央向两翼。随着获各琦铜矿进入深部开采［１］，现场地压显现表明现有回采顺序在很大程度上引发矿体两侧应力集中，由于东侧岩体连续性好，硬度较高，巷道跨度及暴露面积较小，集中的应力并未造成拱顶及帮壁岩体破坏；而西侧岩体受破碎带穿插分割，岩石强度低，集中应力经常引发顶板垮塌、冒落等现象，造成了西部区域开采效率低下，安全生产隐患大的情况。因此，现有回采顺序是否合理，采用其它回采顺序能否缓解目前现状成为亟待解决的问题。本研究以数值模拟为手段，建立矿山数值模拟，以深部中段为研究对象，分析了中央向两翼开采与两翼向中央开采条件下，矿岩应力、变形、能量等特征。在此基础上，提出了较为合理的回采顺序。１矿区整体模型建立矿区数值模型的建立采用了ＦＡＬＣ３Ｄ软件，矿区整体模型包括上下盘围岩、充填体、矿体和破碎带。模型高度范围，即Ｚ轴方向为１０００～２０２０ｍ，Ｘ轴方向８７６００～８９０００ｍ，Ｙ轴方向１１１５０～１１９００ｍ。模型包含９５９１２７个节点，９９１７１２个单元。矿体、上盘岩体与下盘岩体力学参数，充填体力学模型６２１如下表１、表２。破碎带力学参数选取见表３［２］。表１岩体力学参数岩体密度／（ｇ／ｃｍ３）单轴抗压强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰａ泊松比黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（）上盘围岩２．８４３７．００２３．２５０．２５２．８４４３．２２Ｃｕ Ⅰ矿体２．８０３３．２４２３．４５０．２６１．６２３８．８０下盘围岩２．８９３８．４５３０．３４０．２８２．２０３５．５表２充填体力学参数灰砂比密度／（ｇ／ｃｍ３）抗压强度／ＭＰａ体积模量／ＭＰａ切变模量／ＭＰａ黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（）１ ∶ ４２．０３．０３８０２２００．８３５１ ∶ ８１．９２．０２５０１５００．７３４１ ∶ １２１．８１．０８０２００．６３３表３破碎带力学参数密度／（ｇ／ｃｍ３）单轴抗压强度／ＭＰａ单轴抗拉强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰａ泊松比黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（）１．１２７．４００．３７０．４１０．１３０．４０３５２模拟方案的建立根据现有开采方式，深部开采中段的回采顺序可分为中央向两翼回采和两翼向中央回采两种［３］。中央向两翼回采分六步骤模拟（１）中间矿体一次回采与充填。（２）中间矿体二次回采与充填。（３）东部矿体一次回采与充填。（４）东部矿体二次回采与充填。（５）西部矿体一次回采与充填。（６）西部矿体二次回采与充填。两翼向中央回采分六步骤模拟（１）东部矿体一次回采与充填。（２）东部矿体二次回采与充填。（３）西部矿体一次回采与充填。（４）西部矿体二次回采与充填。（５）中间矿体一次回采与充填。（６）中间矿体二次回采与充填。３模拟结果及理论分析３．１２种开采顺序的塑形区分布及分析图１（ａ）为中央向两翼回采条件下最终塑性区分布图。图１种开采顺序下塑性区分布从图１中可以看出矿区整体塑形区域由中央向两翼扩展，最终集中在阶段中央。随着回采的进行，塑性区开始逐渐由采场的两帮向顶板扩展，同时采场顶板出现大范围连贯性塑性区。图１（ｂ）显示出，矿区整体塑形区域由两翼向中央扩展，最终集中在阶段两翼。采场塑性区主要出现在两帮，采场顶板未出现大范围连贯性塑性区。３．２２种开采顺序的能量分布及分析图２为中央向两翼与两翼向中央回采时弹性能曲线。图２弹性应变能线性拟合从图２中可以看出无论有中间向两翼回采还是两翼向中间回采，每一次开挖都会导致弹性应变能，致使弹性应变能在不断累积。如对弹性应能进行线性拟合，随着计数步的增大，两翼向中央回采时弹性应变能增长的速率大于中央向两翼回采。因此，从改善弹性应变能富集，降低深部开采可能引起的岩爆灾害，采用两翼向中央回采更具合理性。７２１邓国屏闫海鹏获各琦铜矿深部开采顺序优化研究２０１９年１１月第１１期３．３２种开采顺序的最大主应力分布及分析图３为中央向两翼回与两翼向中央回采时最大主应力云图。图３２种开采顺序下最大主应力分布云图（单位Ｐａ）结合塑性区分布特征及图３中可以看出该区域岩体已存在不同程度的破坏，从而导致应力下降。相对于两翼向中央开采，中央向两翼开采更易使相邻采场产生高应力区，不利于相邻采场的回采。中央向两翼回采与两翼向中央回采时采场顶板和底板最大主应力均表现为压应力；相对于两翼向中央回采，中央向两翼回采时采场顶、底板最大主应力大于两翼向中央回采。从下部段回采应力环境来看，两翼向中央回采时，更有利于下覆矿体的回采。３．４２种开采顺序的位移分布及分析图４为中央向两翼回与两翼向中央回采时竖直方向位移云图。图４２种开采顺序下位移分布云图（单位ｍ）从图４中可以看出在２种回采顺序条件下，采场顶板及底板均出现不同程度的变形，主要表现为顶板下沉与底板底鼓。相对于两翼向中央回采，中央向两翼回采时对已回采完毕采场顶、底板位移影响较大，已回采充填完毕的中部采场顶、底板产生了较大的位移。在中央向两翼回采条件下，采场底板位移值与采场顶板位移值均大于两翼向中央回采对应的位移值。由于矿山采用上向充填，采场底鼓对生产作业影响不大，但采场顶板如产生较大的位移将影响正常的生产作业。因此，从保障安全生产的角度出发，采用两翼向中央回采更为合理［４］。４结语以数值模拟为手段，建立矿山数值模拟，以深部中段为研究对象，分析了中央向两翼开采与两翼向中央开采条件下，矿岩塑性区分布特征、弹性应变能与塑性应变特征以及最大主应力与采场顶、底板竖直位移特征，研究结果表明（１）两翼和中央开采时，采场顶板不会出大规模贯通性塑性区，并且塑性体积小于中央向两翼回采。（２）两翼向中央回采时弹性应变能增长的速率大于中央向两翼回采，相对中央向两翼回采，两翼向中央回采在一定程度上降低深部开采诱发岩爆的可能性。（３）中央向两翼回采更易使相邻采场产生高应力区，同时采场底板应力较大，不利于相邻采场与下覆矿体的回采。（４）相对于两翼向中央回采，中央向两翼回采采场顶板竖直位移较大，不利于安全生产。（５）结合矿体工程地质条件，建议采用两翼向中央回采的开采顺序。参考文献［１］王训青，朱天平．充填采矿法在获各琦铜矿的应用［Ｊ］．有色金属矿山部分，２０１２，６４（１）７  １１．［２］郭瑞凯．某铜矿岩爆诱发倾向及采场结构擦书优化研究［Ｄ］．赣州江西理工大学，２０１８．［３］林卫星．获各琦铜矿安全与强化开采综合技术研究［Ｄ］．长沙中南大学，２０１３．［４］苏振豪．某矿采场稳定性分析及回踩顺序优化研究［Ｄ］．赣州江西理工大学，２０１．（收稿日期２０１９  ０９  ２３责任编辑徐志宏）８２１总第６０７期现代矿业２０１９年１１月第１１期

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