深部松散矿体开采技术数值模拟研究.pdf

DOI10.3969/j.issn.１００9－062２.2017.05.007 深部松散矿体开采技术数值模拟研究 徐培良 1，王建国2，石 飞 3，周山山1，杨德源4，何 进 2 （ 1.云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南 个旧 661000；2.云南农业大学 建筑工程学院，云南 昆明 650201；3.昆明勘晟矿业 有限公司，云南 昆明 650100；4.昆明钢铁集团公司 大红山铁矿，云南 新平 653100） 摘要云锡松矿 1360 中段以下 30-14 矿体松散破碎，开采难度较大。 为满足深部安全及经济合理的开采要求，通 过对房柱法和下向进路式分层胶结充填法进行技术经济比较，以及两种方法的数值模拟分析，确定采用下向进路式 分层胶结充填法作为 30-14 矿体的采矿方法。 该方法虽然成本高于房柱法，但回采的矿石资源多，创造的经济价值 大，比房柱法多获得利润总额 5 408 万元，且开采的安全性更能得到保障。研究成果为类似矿体开采积累了经验，对矿 山生产建设和深部资源开发利用都有实际的指导意义。 关键词深部开采；松散矿体；下向进路式分层胶结充填法；经济指标；安全率 中图分类号TD862文献标识码A 第 32 卷第 5 期 ２０17 年 10 月 Ｖｏｌ．32，Ｎｏ．5 Oct.２０17Ｃｈｉｎａ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 收稿日期2017-08-18 资助项目云南省科技厅基础研究青年项目 （ 2016FD029）；云南省教育厅科学研究基金项目 （ 2016ZZX108） 作者简介徐培良 （ 1985-），男，云南双柏人，硕士，工程师，主要从事地下工程和采矿技术方面的研究工作。 通讯作者王建国 （ 1987-），男，河南信阳人，博士，副教授，主要从事工程爆破和岩石动力学方面的研究工作。 金属矿山深部开采面临一系列新的技术难题，如 采准巷道维护更加困难、底板突水事故增加、冲击地 压频发等[1]。 而深部破碎矿体形态比较复杂，矿体内 穿插有围岩夹层，顶底板的起伏变化大，易发生局部 或区域性的地压灾害，巷道和采场垮塌、冒落严重， 掘进和支护十分困难， 所以迫切需要对深部复杂条 件下的矿体开采进行研究[2]。 杨清林等[3]根据某金矿 极破碎矿床的地质条件， 对采场参数进行数值模拟 优化，确定了可行的回采方案。 张宝等[4-5]对矿体在 大体积充填体下的回采顺序和胶结充填采矿法盘区 回采工艺进行数值模拟研究，确定了最优回采顺序和 充填工艺。 黄文等[6-8]针对地下钨矿山出现的巷道开 裂、垮塌、冒落及采空区大面积塌方和地表沉陷等问 题，对采空区进行了废石或尾砂胶结充填处理，不仅有 效控制了矿区开采过程中地压活动对井下工程的破 坏，还降低了生产成本。但本研究矿体开采条件极为 复杂，需对开采方案进行设计比较和数值模拟分析[9]。 1采矿方法的初步确定 1.1工程概况 云南锡业集团云锡松矿 1360 中段以下 30-14 矿体产出于花岗岩与大理岩接触带， 控制走向长约 200 m，宽 120 m，铅垂厚 1～18 m，矿体赋于 1 360 m 中段潜水面以下， 上部有 1360m 平台主运输巷道和 排水巷道穿过，如图 1 所示。矿体围岩顶板为大理岩， 节理裂隙发育，底板为夕卡岩、长英岩、花岗岩。花岗 岩的顶部呈云英岩化、绢云母化、绿泥石化，矿石呈 强风化～半风化，稳固性极差，黄铁矿、磁黄铁矿、黄 铜矿等硫化物呈稀疏－稠密状、细脉状浸染分布，矿 体多呈透镜状、似层状，节理裂隙发育，稳固性差。 图 1矿体与巷道投射关系 Fig.1Projection relation between orebody and roadway 1.2采矿方法初步分析 根据矿体开采技术条件，初步可选采矿方法有 房柱法；下向进路式分层胶结充填法；上向水平分层 1360 排水巷道 1360 运输巷道 排水孔 30-14 矿体 水平投影图 第 32 卷 2数值模拟准备 2.1岩石室内试验 针对 30-14 矿体顶板 （ 大理岩）、氧化矿、底板 （ 花岗岩）结构及强度的特点，选择一定数量的岩块 进行加工并进行强度测定， 得到数值计算的基本参 数如表 2 所示。 表 2数值模拟基本参数 Tab.2Basic parameters of numerical simulation 2.2数值计算指标 安全率是由摩尔-库仑强度准则所决定的极限 应力状态与实际应力状态的比值。 安全率为 1 时处 于临界状态，且安全率越大，安全性越好 （ 对地下矿 山，一般认为安全率大于 1.15 是偏于安全的）。 对于 地下矿山而言，顶板、间柱、围岩等是否破坏，除了分 析应力应变、塑性区分布及位移外，安全率的分布， 在某种程度上， 可以非常直观明了地对开挖所造成 的损害程度进行说明。 3充填效果数值模拟分析 采用 FLAC3D进行数值模拟，模拟进路规格为 4m4m，上下分层的进路方向垂直交错布置。 由于胶 结充填进路式采矿开采[9]及充填步骤较多，数据量 较大，在此对中间回采、充填等不再进行分析，仅对整 个分层充填后充填体的作用及顶板稳定性进行分析。 3.1应力分布模拟结果分析 充填体及充填完成后顶板应力分布模拟结果见 图 2、图 3。图 2 模拟结果显示，充填体所承受的最大 主应力为 48.548 MPa；图 3 模拟结果显示，整个分层 充填结束后，顶板最大主应力达到 45.87 MPa。 充分 说明充填体的强支护作用； 矿体顶板没有拉应力出 现，此时顶板是趋于稳定的。 方法 名称 地质矿 量/t 贫化 率/ 损失 率/ 采出 矿量/ t 生产 能力/ （ t d-1） 千吨采 切比/ （ m kt-1） 工程投资/ 万元 成本/ （ 元 t-1） 总成本/ 万元 销售总 额/万元 利润总 额/万元 房柱法286 5503.398 0.886 9 7372 539158264 750 2.8880.7537647 1994600165 772.4744211 702.87 49 668.93 37 966.06 下向进路 式分层充 填法 286 5503.398 0.886 9 7372 53984274 610 3.1260.8158585 2238400127 526.445112 387.42 55 761.45 43 374.02 差值74-9 860-0.238 -0.062-938 -2442004-2 053.93-9-684.55 -6 092.52 -5 407.96 地质品位/ SnCu 金属量/t SnCu 采出品位/ SnCu 金属量/t SnCu 充填法。采用上向水平分层充填法开采时，回采作业 面顶板安全性得不到保障，施工安全投入较大，需要 从矿体最低端开始回采，矿体的生产准备时间较长， 难以满足当期的生产需求，可以排除。房柱法和下向 进路式分层胶结充填法主要技术经济指标对比如表 1 所示。 然后再对下向进路式分层胶结充填法和房柱法 进行数值模拟计算，以确定最优的开采技术方案。 岩性 平均密度/ （ g cm-3） 单轴抗拉 强度/MPa 弹性模 量/GPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ （ ） 泊松比 大理岩2.691.8914.271.5928.390.42 花岗岩2.570.8014.230.8839.880.33 矿体3.140.637.490.5934.210.27 C202.351.5125.512.7033.020.35 断层2.600.201.500.3528.090.35 表 1房柱法和下向进路式分层充填法主要技术经济指标对比表 Tab.1Comparison table of main technical economic indicators of two schemes 图 2充填体最大主应力分布 Fig.2The maximum principal stress distribution of the filling body -29.807 -45.870 -5.713 -35.162 -29.807 -48.548 -37.839 -29.807 -35.162 -35.162 -35.162 -35.162 -29.807 -29.807 -35.162 -35.162 -5.713 -5.713 -37.839 -40.516 -32.485 -21.776 -27.130 -45.870 38 第 5 期 图 3充填后顶板最大主应力分布 Fig.3Main stress distribution of the back top plate after filling 3.2安全率分布模拟结果分析 从充填体及充填完成后顶板安全率分布模拟结 果 （ 图 4、图 5）看，整个分层充填结束后，充填体的最 小安全率为 1.197，充填后顶板最小安全率为 1.237， 均大于临界状态，满足地下矿山安全的经验值，这也 充分说明了充填体的存在大大提高了顶板的稳定性。 3.3塑性区分布模拟结果分析 从充填体及充填完成后顶板塑性区分布模拟结 果 （ 图 6）看，整个分层充填结束后，充填体大部分进 入了塑性状态，即进入承载状态，说明充填体虽然不 能完全阻止围岩移动， 但可以最大限度地限制围岩 的变形和移动。 充填完成后顶板几乎没有塑性区出 -40.516 -37.839 -40.516 -13.744 -35.162 -32.485 -29.807 -27.130 -24.453 -21.776 -19.099 -16.422 -13.744 -11.067 -8.390 -5.713 -32.485 -43.193 -43.193 -13.744 -32.485 -27.130 -8.390 -13.744 -8.390 -16.422 -45.870 -45.870-16.422 -29.807 -19.099 图 4充填体安全率分布 Fig.4Distribution of backfill safety rate 图 5充填后顶板安全率分布 Fig.5Safety rate distribution of top plate 2.095 1.197 1.197 1.197 1.796 1.796 1.197 1.197 1.197 1.796 1.796 1.496 1.496 1.197 1.796 1.856 2.165 2.474 2.783 3.093 3.402 3.711 4.330 4.020 4.639 4.948 5.257 5.567 5.876 2.165 1.237 1.237 1.546 2.165 1.237 1.237 1.546 1.237 1.237 1.237 1.546 1.546 1.856 1.856 2.165 徐培良，等深部松散矿体开采技术数值模拟研究39 第 32 卷 现，仅在局部有零星的塑性区出现，此时顶板是稳定 的， 说明充填体在抑制顶板变形中起到了至关重要 的作用。 3.4房柱采矿法数值模拟分析 宽度 10 m，强度 C20 的混凝土房柱采矿法的数 值模拟计算结果显示 开采后顶板拉应力最大值为 2.16 MPa， 大于大理岩折减后的抗拉强度值（ 约为 1.8 MPa）； 顶板位移指向采空区； 最小安全率为 1.12，不满足地下矿山安全率要求；顶板大理岩塑性 区比较多，且呈连片现象。以上结果均说明此时顶板 暴露面积超出了大理岩自身的极限暴露面积， 会造 成顶板变形、垮塌。 相比之下，采用进路式分层胶结 充填采矿能最大限度地抑制顶板和围岩的变形，满 足矿体开采的安全要求。 4下向进路式分层胶结充填采矿法 4.1采场结构参数确定 矿块沿走向和垂直走向布置， 长 15～74 m，自 上而下分为八层，各分层宽度如下第一层 46 m、第 二层 80m、第三层 56m、第四层 62m、第五层 56m、第 六层 82 m、第七层 35 m、第八层 46 m，每层高 4 m，进 路宽 4 m，不留间柱和顶底柱。 采场搬运方式为铲运 机及矿用汽车。 在各分层内设置分层联道和回采进 路，分层联道用于分层内运输、充填和通风，回采进 路用于采矿。 4.2矿体回采顺序 将矿体分为南北两个盘区， 两个盘区可同时回 采，互不影响。 南盘区从第一层往下回采，一共回采 五个层；北盘区从第五层的西坡开始往下回采，一共 回采四个层。南北盘区回采时，严格遵守由上而下的 顺序进行开采， 即上一分层采充结束之后方可进行 下一分层的开采。 4.3采切工程布置 在矿体主斜坡道上按各分层的高度， 施工分层 斜坡道达到矿体，沿矿体边界掘进，探清矿体形态， 首先施工进路与回风井贯通， 每条进路回采的进路 规格为 4 m4 m，即每一分层的高度为 4 m，为了保 证充填体稳定性， 相邻的上下两分层回采进路呈近 似垂直交错布置 （ 第一、三、五、七层进路为 25～ 205方向，第二、四、六、八层为 295～115方向）。 4.4回采工艺 采用自上而下回采，进路高度为 4.0 m，宽度为 4.0 m。采用阿特拉斯 S1D 掘进凿岩台车进行凿岩爆 破，采用大直径空眼桶形掏槽爆破，空眼直径 100mm， 孔深 3.4 m，其他装药炮孔直径 45 mm，孔深 3.2 m。 偏进路底板布置大孔径掏槽，非电导爆管微差爆破， 这样的爆破设计可减小爆破震动对顶板充填体的破 坏作用，确保充填体的安全稳定；同时，在顶板充填 体下部的碎石垫层能有效降低爆破冲击波对充填体 的影响。 4.5采场充填 采场清理完毕后，从里向外按排距 1.2 m，间距 1.2 m 打吊挂锚杆，锚杆内焊接吊筋，吊筋的直径为 16 mm，巷道底板钢筋以焊接方式与吊筋相连，由主 筋和副筋构成，主筋直径 16 mm，网格为 1.2 m1.2 m， 副筋直径 10～12 mm，网格为 0.3 m0.3 m。 沿邻侧 回采进路的巷道帮预留 0.5 m 长的主筋， 并用直径 不小于为 12 mm 的钢筋将留出的主筋连成整体，回 采结束铺设底筋时，与预留主筋相焊接，使两个相邻 的进路成为一个整体，以保证充填体的稳定性。 5结语 通过对房柱法和下向进路式分层胶结充填法的 技术经济比较和数值模拟分析可以看出 （ 1）房柱法在生产能力上要略占优势，但回采可 能会诱发运输、 排水坑道的变形， 导致透水事故发 生，不适宜在开采中使用。 （ 2）下向进路式分层胶结充填法虽然成本要高， 图 6充填体塑性区分布 Fig.6Distribution of pack plastic zone 40 第 5 期 Numerical Simulation on the Mining Technology for Deep Loose Ore Body XU Peiliang1, WANG Jianguo2, SHI Fei3, ZHOU Shanshan1, YANG Deyuan4, HE Jin2 1.Datun tin ore, Yunnan Tin Co., Ltd., Gejiu 661000, Yunnan, China; 2. College of Civil and Architectural Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, Yunnan, China; 3. Kunming Kansheng Mining Co., Ltd., Kunming 650100, Yunnan, China; 4. Dahongshan Iron Mine Bureau, Kunming Iron loose ore body; of downward direction layered cementing and filling mining technology; economic indicators; safety factor （ 编辑游航英） 但是开采中的安全性能得到充分保障， 回采的矿石 资源多，创造的经济价值大 （ 比房柱法多获得利润总 额约 5 408 万元），符合 “ 安全、高效、低成本、低贫 损”的资源开发理念。 因此，本次设计选择下向进路 式分层胶结充填法作为 30-14 矿体的采矿方法。 参考文献 [1]徐培良. 破碎、含水复杂条件矿体开采技术研究[D]. 昆明 昆明 理工大学，2015. XU Peiliang. Research on mining technology of mining body with brokenandcomplicatedconditions[D].KunmingKunmingUniversity of Science and Technology，2015. [2]张卫中，胡泽图，倪小山，等. 复杂条件下厚大磷矿体安全高效 采矿方法研究[J]. 矿业研究与开发，2017，37 （ 7）1-4. ZHANG Weizhong，HU Zetu，NI Xiaoshan，et al. Study on the safe and efficient mining for thick and large phosphate rock in complex conditions[J]. Mining Research and Development， 2017，37 （ 7）1-4. 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