劉溪鴿 孫 星 朱萬成 王青元

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438)

新城金礦V#礦體-680 m中段踏步式回采研究

劉溪鴿1孫 星2朱萬成1王青元1

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438)

回采順序的合理選擇有助于地下金屬礦山控制地壓活動、改善回采條件以及提高經(jīng)濟效益。新城金礦V#礦體采用上向水平分層充填法回采，采場垂直礦體走向布置并按照“隔一采一”順序分為一步回采和二步回采，這種回采順序?qū)е露讲蓤鰞蓚?cè)均為充填體支撐，頂板條件較差。本研究以新城金礦V#礦體-680 m中段為研究對象,基于原有的“隔一采一”回采順序提出“踏步式回采”方案，通過FLAC3D軟件模擬分析、比較2種方案對采場巖體穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，無論采用“隔一采一”還是“踏步式回采”方案，在兩側(cè)為充填體支撐的情況下，中間礦體的回采條件均較差，但相比而言，“踏步式回采”在控制頂板變形、避免產(chǎn)生大范圍塑性區(qū)方面優(yōu)于“隔一采一”方案。本研究成果對類似礦山的礦體回采設計有重要的借鑒意義。

金礦 回采順序 隔一采一 踏步式回采 數(shù)值模擬 FLAC3D

在金屬礦山地下開采過程中，優(yōu)化回采順序?qū)τ诳刂频貕夯顒?、改善回采條件以及提高經(jīng)濟效益均起到非常重要的作用[1]。特別是近年來隨著淺部易采礦產(chǎn)資源日趨枯竭，許多礦山逐漸轉(zhuǎn)入深部開采，地壓問題突出。在此背景下研究礦體的回采順序則尤為重要，同時這也是地下礦山開采研究中的熱點問題。

文獻[2]通過對地下金屬礦山階段開采留間柱和不留間柱以及不同回采順序的地壓規(guī)律進行多方案分析比較,為無間柱連續(xù)采礦的應用提供了理論依據(jù)； 文獻[3-7]分別針對各個地下礦山的不同盤區(qū)回采方案做了對比分析；文獻[8]對無底柱分段崩落法中2種回采方案進行了比較研究。以上研究成果均為不同礦山擇優(yōu)選擇回采方案提供了可靠依據(jù)并且對類似工程有重要的參考價值。目前關于地下礦山回采順序的研究主要集中在盤區(qū)回采順序優(yōu)選方面，在垂直分層回采順序方面的研究較少。

本研究以新城金礦V#礦體-680 m中段為研究對象，借助FLAC3D軟件[9-10]模擬計算分析，在現(xiàn)有“隔一采一”方案的基礎上提出“踏步式回采”方案，以期達到改善礦體回采條件的效果。

1 工程概況

新城金礦V#礦體-680 m中段采用上向水平分層充填法回采，盤區(qū)沿礦體走向、礦房垂直礦體走向布置，每個盤區(qū)由1個一步采場與1個二步采場構成，一步回采采場寬8 m，二步回采采場寬7 m，分段高度50 m。每分層回采3.3 m，隨后進行充填，空頂1.5 m，然后向上繼續(xù)回采下一分層，最終留下6 m頂住，充填結(jié)頂。第1分層回采由3.2 m×3.1 m的切割巷片幫形成，回采完畢進行采場底板施工，底板使用直徑12 mm的鋼筋，網(wǎng)度為300 mm×300 mm，使用灰砂比1∶4的料漿進行充填，假底厚度600 mm。

現(xiàn)有的“隔一采一”方案是在一步回采至頂板并充填接頂后再進行二步回采，此回采方案的弊端是一步采回采完畢后二步回采在兩側(cè)全部由充填體支撐的條件下進行，頂板由較大范圍孤立礦體構成，安全性較差。改進后的回采方案按“踏步式”進行，即一步回采只向上采至25 m處即充填接頂，然后開始二步回采。二步回采一直回采到頂板并充填接頂，最后回采原來一步回采剩余部分的礦體。2種不同回采方案如圖1所示。

圖1 2種不同的回采方案Fig.1 Two different mining methods

2 數(shù)值模擬計算分析

2.1 模型構建

根據(jù)新城金礦-680 m中段礦體條件建立數(shù)值計算FLAC3D模型。模型在構建過程中做了一定程度的簡化，由于新城金礦V#礦體比較厚大，最厚部分可達130 m，故可以將模型在礦房布置方向截取一段進行研究，如圖2所示，模型整體尺寸為150 m×160 m×20 m。

圖2 FLAC3D計算模型Fig.2 FLAC3D calculation model

選取4個采場進行研究，模擬回采順序與圖1標號相同。由于本中段人工底板對上部變形的影響有限，所以未考慮本中段第一分層回采完畢施工的采場底板，將其作為充填體的一部分處理。但是，對上一中段的采場底板予以考慮，并在模擬計算中整體賦值，此人工底板之上為上一中段礦體回采后的充填體。模型按四面體網(wǎng)格劃分成52 815個單元，32 118個節(jié)點。

2.2 強度準則與計算參數(shù)

本研究采用Mohr-Coulomb強度準則，其力學模型為

(1)

式中，σ1，σ3分別為第一和第三主應力；σc，σt分別為材料抗壓強度和抗拉強度；c，φ分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

依據(jù)實際工程條件，模型共分為3種巖性類型，上中段回采完畢的充填體與本中段每分層回采完畢后的充填體，上分段的人工底板以及未回采的礦體。數(shù)值模擬采用的巖體力學參數(shù)見表1。

模擬計算邊界條件：四周及底板法向位移約束，模型上部為面力約束，水平地應力按體力加載，最大主應力為平行礦房布置方向的水平應力，自重應力屬于第二主應力。本計算模型所用應力條件如下[11]：

表1 巖體力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the rock mass

σh,max=2.15+0.052 2H,

(2)

(3)

(4)

其中，σh,max，σh,min，σv分別為最大、最小水平主應力和垂直主應力，MPa；H為埋深，m。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

在2種不同順序的回采方案中分別選取典型工況做比較分析。在“隔一采一”方案中選取回采到14步與17步時的豎直位移場與塑性區(qū)作為參照，同時選取踏步式回采方案中11步與20步2種工況與之對比。

3.1 位移分析

此4種工況條件下的豎直方向變形如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，在“隔一采一”方案中一步回采轉(zhuǎn)換為二步回采時(圖3(a))，二步回采采場的底部下沉變形非常明顯，可達42 mm，回采進行到17步時(圖3(b))，變形加劇到47 mm；而換做踏步式回采方案后采場的下沉變形有比較大的改善，原二步采場在回采初期(圖3(c))及采至頂板時(圖3(d))的變形分別比原方案小，為28 mm和46 mm。踏步式回采方案在控制采場變形方面較原來方案有了較明顯的改進。

圖3 2種回采方案豎直位移對比Fig.3 Comparison of vertical displacement in two different mining methods

3.2 塑性區(qū)分析

4種工況條件下的塑性區(qū)分布的情況如圖4，采場及充填體主要受剪切拉伸破壞。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要在于新城金礦水平地應力較大，一步回采完畢后，二步回采的采場均會收到較大影響，隨著回采逐漸向上部分層推進，下面分層的充填體也會逐漸產(chǎn)生塑性破壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，“隔一采一”回采方案在二步回采時，頂板處的孤立礦體產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)，相比而言，“踏步式回采”則更為靈活，可以確?；夭晒ぷ髅嫔戏绞冀K不會產(chǎn)生過大范圍的塑性區(qū)，并且滿足在較短時間內(nèi)，即塑性區(qū)加劇擴展之前對其進行回采。因此，“踏步式回采”方案的實際工程意義顯著。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)2方案在塑性區(qū)范圍和發(fā)展趨勢的對比，無論是“隔一采一”方案還是“踏步式回采”方案，在兩側(cè)均為充填體支撐的情況下，中間剩余礦體的回采條件都比較差，因此在回采這部分礦體的過程中有必要加強采場頂板的維護。

(2)數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，改進后的“踏步式回采”順序在控制采場上部未采礦體下沉變形方面優(yōu)于原來的“隔一采一”方案。原方案將導致二步回采采場上部形成較大范圍的孤立礦體(兩側(cè)均是一步回采完畢形成的充填體)，采用“踏步式回采”后可以減小二步采場頂板的下沉量，從而降低礦體因受拉而塌落的危險性。

圖4 2種回采方案塑性區(qū)對比Fig.4 Comparison of plastic zone in two different mining methods

[1] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2011. Xie Shijun．Metal Deposit Underground Mining [M].2nd edition.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011．

[2] 古德生，鄧 建，李夕兵.無間柱連續(xù)采礦的巖石力學優(yōu)化 [J].中南工業(yè)大學學報，1999，30(5):441-444. Gu Desheng，Deng Jian，Li Xibing.Rock mechanics optimization of non-pillar continuous mining [J].Journal of Central South University of Technology,1999,30(5):441-444.

[3] 彭 康，李夕兵，彭述權，等.海底下框架式分層充填法開采中礦巖穩(wěn)定性分析 [J].中南大學學報:自然科學版，2011，42(11):3452-3458. Peng Kang，Li Xibing，Peng Shuquan，et al.Ore-rock stability of frame stope hierarchical level filling mining method in seabed mining[J]．Journal of Central South University:Science and Technology，2011，42 (11):3452-3458．

[4] 關 凱，朱萬成，張洪訓，等.新城金礦中段頂?shù)字P區(qū)回采順序優(yōu)化[J].金屬礦山，2013(9):44-49. Guan Kai，Zhu Wancheng，Zhang Hongxun，et al．Optimization of panel mining sequence for the middle-section top pillar of Xincheng Gold Mine[J]．Metal Mine，2013(9):44-49．

[5] 羅周全，管佳林，馮富康，等.盤區(qū)隔離礦柱采場結(jié)構參數(shù)數(shù)值優(yōu)化[J].采礦與安全工程學報，2012，29(2):261-264. Luo Zhouquan，Guan Jialin，F(xiàn)eng Fukang，et al.Stope structural parameters of panel isolation pillar numerical optimization[J]．Journal of Mining & Safety Engineering，2012，29(2)：261-264．

[6] 宋衛(wèi)東，杜翠鳳.小官莊鐵礦東區(qū)-270 m水平合理回采順序的有限元分析[J].河北理工學院學報，2001，23(3):1-5. Song Weidong，Du Cuifeng.FEM modeling on reasonable sequence of extract ion of the eastern district in Xiaoguanzhuang Iron Mine [J].Journal of Hebei Institute of Technology，2001，23(3):1-5.

[7] 李夕兵，劉志祥，彭 康，等.金屬礦濱海基巖開采巖石力學理論與實踐[J].巖石力學與工程學報，2010，29(10)，1945-1953. Li Xibing，Liu Zhixiang，Peng Kang，et al.Theory and practice of rock mechanics related to the exploitation of undersea metal mine [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(10):1945-1953.

[8] Wang P，Li H，Li Y，et al.Stability analysis of backfilling in subsiding area and optimization of the stoping sequence [J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2013，5(6):478-484.

[9] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005. Liu Bo，Han Yanhui.Theory，Examples and Application Guides of FLAC[M].Beijing：China Communications Press，2005.

[10] Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) Version 3.1 User's Guide[M].USA:Itasca Consulting Group Inc，2006.

[11] 張大磊.新城金礦Ⅴ號礦體-580 m采場開采方式優(yōu)化研究[J].山西建筑，2012，38(19):94-95. Zhang Dalei.Study on the optimization of -580 m level stope mining model at No.V ore body in Xincheng Gold Mine [J].Shanxi Architecture,2012,38(19):94-95.

(責任編輯 石海林)

Stepped Excavation Sequence for the -680 m Section of V#Ore Body in Xincheng Gold Mine

Liu Xige1Sun Xing2Zhu Wancheng1Wang Qingyuan1

(1.CollegeofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.XinchengGoldMineofShandongGoldMiningCo.，Ltd.，Yantai261438，China)

The selection of rational excavation sequence may is favor for the underground metal mines to control the geo-stress，to improve excavating conditions and to raise economic benefits.The V#ore body is excavated by the upward horizontal slice stoping-filling method at Xincheng Gold Mine，and the layout of the stopes is perpendicular to the strike of the ore body.According to the “taking one every the other one” excavation sequence，the stopes are excavated by one-step mining and two-step mining.This kind of mining sequence results in the second stage of excavating supported by the filling body on both sides and their roofs are not so stable.Taking the -680 m section of V#ore body at Xincheng Gold Mine as the objective，based on the original excavating sequence of “taking one every the other one”，the “stepped excavating” scheme has been put forward.By means of FLAC3Dnumerical simulation，the stability of stope under these two schemes are analyzed and compared.The numerical results indicate that，whether using excavating sequence of “taking one every the other one” or the “stepped excavating”，the mining condition of ore-body at middle under support on both sides is poor.In contrast，however，the sequence of “stepped excavating” is better than the sequence of “taking one every the other one” in terms of controlling of the stope deformation and avoiding from a wide range of plastic zone.The research has an important referential significance for similar mines in the design of ore body excavation.

Gold mine，Excavation sequence，Taking one every the other one，Stepped excavation sequence，Numerical simulation，F(xiàn)LAC3D

2014-06-11

國家自然科學基金項目(編號：51222401、 51374049、51304037)，教育部科學技術研究重點項目(編號：113019A)，中央高校基本科研業(yè)務費項目(編號：N110201001、N120101001)，中國—南非聯(lián)合研究計劃項目(編號：2012DFG71060/CS06-L01)，教育部博士點基金課題 (編號：20110042110035)。

劉溪鴿(1989—)，男，博士研究生。通訊作者 朱萬成(1974—)，男，教授，博士研究生導師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-10-005-04