哈图金矿盘区机械化采场结构参数数值模拟研究

郭 旗，张 宝，顾生春，李志军，吴亚飞

哈图金矿盘区机械化采场结构参数数值模拟研究

郭 旗1，张 宝2，顾生春1，李志军1，吴亚飞1

(1.西部黄金克拉玛依哈图金矿有限责任公司，新疆 克拉玛依市 834025；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

合理采场结构参数的选取过程本质上是安全生产与高效生产的权衡统一过程。根据哈图金矿盘区机械化上向水平分层充填法工艺特点及矿体赋存条件，编排对比方案，采用FLAC3D数值模拟分析，最后选取采场最大控顶高度为3 m，盘区内中间采场超前3分层回采，当矿体厚度为4 m时，推荐采场长度为50 m；当矿体厚度为8 m时，推荐采场长度为40 m。

盘区机械化;上向水平分层充填法;采场结构参数;数值模拟

0 引 言

哈图金矿设计生产规模为1000 t/d，即年产矿石33 万t。采用竖井开拓。现有3个采区：400 m采区已经结束开采，600 m采区正在采用上向水平分层充填法开采矿柱，千米井深部区域采用电耙出矿上向水平分层充填法开采。千米井矿区主要开采27-8，27-14，27-17矿脉，矿体属急倾斜中厚中等稳固矿体，倾角为60°~70°。经采矿技改后，采用盘区机械化上向水平分层全尾砂胶结充填采矿法开采。

该方法采场可沿矿体走向布置也可垂直矿体走向布置，但哈图金矿一般为中厚矿体，最为适宜的还是沿矿体走向布置采场，只有在矿体较为厚大或特殊情况下用垂直矿体走向布置采场。因此井下主要采用沿矿体走向布置采场，采场长度为40～60 m，采场宽度为4~6 m，采场高度为中段高度50 m。该采矿方法不留顶柱和底柱，也不留间柱。

采矿工艺改变后，选取合理的采场结构参数就非常关键。合理的采场结构参数不仅是保证安全开采的必要条件，同时也对开采综合技术经济指标有着重要影响。

目前用来确定采场结构参数的方法主要有经验类比法和数值模拟法。前者因带有一定的主观性，缺少理论数据支撑，得出的结论令人难以信服；后者能通过定量的计算、分析、比较进行仿真模拟，同样可以确定合理的开采方法、采场结构参数和开采顺序，其中，FLAC3D数值模拟已经成为模拟分析地下开挖稳定性问题的有效方法。本文采用此方法进行哈图金矿盘区机械化采场采矿决策科学化和设计优化的模拟。

1 数值模拟方案与破坏判据

1.1 数值模拟方案

根据盘区机械化上向水平分层全尾砂胶结充填法回采工艺特点，为尽可能模拟矿体“采−充”循环向上发展过程中的应力、应变叠加演变，每个采场最少进行4次“采−充”循环模拟计算。为了简化模拟方案，模拟只对3个采场（作为一个回采盘区）超前回采顺序和超前高度进行分析。

另外，设计采场拉底层高度为2 m，最大控顶高度为3 m时，分层高度为2 m，最大控顶高度为3.5 m和4 m时，分层高度为2.5 m。4次“采−充”循环有10~12 m垂直开采高度。自下向上最少划分为5个分层。最下面两个分层为拉底层和1分层，主要用于模拟采场拉底和分层充填，其余3，4，5分层模拟正常开挖及充填。

针对不同研究内容，数值模拟方案的编排和数值模拟步骤如表1所示。

1.2 本构模型及岩体力学参数

井下采场回采模拟分析涉及到围岩体、矿体和尾砂胶结充填体，这些介质均属弹塑性材料，适用于Mohr-Coulomb准则分析研究，故采用摩尔−库仑准则来确定矿体开挖后，采场应力、位移及塑性区分布规律，获得优化采场结构参数的岩体力学 依据。

RocLab是一款依据室内岩石力学实验或原位三轴及直剪试验数据来计算岩土体强度参数的软件。本次模拟基于上述原理，借助软件对各岩石力学参数进行综合平均折减处理，从而得到本次数值模拟所需的矿岩体的物理力学参数。

表1 数值模拟方案与步骤

考虑到岩石力学试验成果的离散型，首先对各单位的岩石物理力学参数进行综合分析平均处理，然后采用岩体强度参数计算软件对各单位的相应类型岩石力学参数进行折减处理。

基于矿山开采整体稳定性分析，依据矿山岩石力学试验结果，综合各成果并根据相应的公式计算得出对应的体积模量和剪切模量，将折减成果及计算结果汇总后即得到本次数值模拟与材料属性相关的物理力学参数。数值模拟矿岩体具体物理力学参数汇总见表2。

表2 修正后的矿岩体物理力学参数

2 采场结构参数模拟结果

2.1 采场最大控顶高度

在数值模拟中发现，3个采场同步向上发展，应力随着控顶高度的增加而增大，顶板中央及边角处存在明显的应力集中现象，在采场顶板及上盘中间位置竖向位移最大，塑性破坏形式主要为剪切破坏，破坏区域主要集中在采场顶板及其与下盘接触位置，如表3所示。

M1的最大主应力、最小主应力、竖向位移和剪切破坏塑性区体积小于M2和M3，因此，推荐选取最大控顶高度为3 m，开采分层高度为2 m，此时采场稳定性状况整体比较好。

2.2 采场间超前回采高度

通过对M4、M5、M6“开挖−充填”循环的对比分析，发现沿走向布置的3个连续采场同步向上发展，最大应力数值大小随着超前回采分层数的增加而降低，在采场开挖区域顶板中央及边角处存在明显的应力集中现象，在顶板及上盘中间位置竖向位移最大，塑性破坏形式主要为剪切破坏，破坏区域主要集中在采场顶板及其与下盘接触位置，如表4所示。

表3 M1、M2、M3的塑性区分布

表4 模型M4、M5、M6的塑性区分布

M5和M6的最大主应力、最小主应力、竖向位移小于M4的，且M5和M6的剪切破坏塑性区体积相差不大，而与模型4相比均要小得多。因此，推荐最优超前回采分层数为3个分层，这样既能保证采场生产能力，且采场整体稳定性状况也比较好。

2.3 4 m厚矿体采场长度

根据M7、M8、M9“开挖−充填”循环的数值分析，发现沿走向布置的3个连续采场同步向上发展，最大应力数值大小随着采场长度的增加而增加，在采场开挖区域顶板中央及边角处存在明显的应力集中现象，在采场顶板及上盘中间位置竖向位移最大，塑性破坏形式主要为剪切破坏，破坏区域主要集中在采场顶板及其与下盘接触位置，如表5所示。

表5 模型M7、M8、M9的塑性区分布

从最大主应力、最小主应力及竖向位移来看，3个模型模拟结果相差不算太大，但从塑性区分布情况对比分析，可知M9塑性破坏区域体积大大超过了M7和M8的塑性破坏区域体积，结合井下生产能力要求，当矿体厚度为4 m时，推荐最优采场长度为50 m，这样既能有效保证采场生产能力，也能保证采场整体稳定性。

2.4 8 m厚矿体采场长度

根据上节4 m厚矿体模拟分析结果（见图1），可以发现，采场顶板及上下盘出现了贯通性的塑性破坏区，采场开采宽度应尽量控制在4 m以下。因此，当矿体水平厚度小于4 m时，采场宽度为矿体水平厚度；当矿体厚度大于4 m时，应分两步骤进行开采，每个步骤进路宽度不大于4 m为宜。

图1 M7塑性区垂直走向分布特征

通过对M10、M11、M12两步骤“开挖-充填”循环下最大主应力、最小主应力、竖向位移和塑性区分布特征的分析，发现沿走向布置的3个连续采场同步向上发展，最大应力在采场开挖区域顶板中央及边角处存在明显的应力集中现象，在采场开挖区域的顶板及上盘中间位置竖向位移最大，塑性破坏形式主要为剪切破坏，破坏区域主要集中在采场顶板及其与下盘接触位置，如表6所示。

表6 M10、M11、M12的塑性区分布

综合矿山地质情况、开采现状、生产能力要求及数值模拟分析结果，当矿体厚度为8 m时，推荐最优采场长度为40 m。

3 结 论

采场结构参数的选取过程本质上是安全生产与高效生产的权衡统一过程。

（1）采场最大控顶高度。考虑到井下工人在采场内作业，高空区支护非常不便，势必给采场安全生产造成威胁，使采出矿效率降低。因此，采场最大控顶高度不宜太大，确定采场最大控顶高度 3 m为宜。

（2）中间采场超前回采层数。超前回采与不超前回采相比，采场稳定性有一定的提高。超前回采一定程度上起到了分隔相邻连续回采采场的作用。另外，中间采场超前3个分层回采，采场相互独立作业，生产互不影响，能有效提高生产效率。

（3）采场暴露面积。综合安全生产及高效生产的各项要求，当矿体厚度为4 m时，推荐采场长度为50 m；当矿体厚度为8 m时，推荐采场长度为40 m。

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(2019-09-02)

郭 旗(1971—)，男，新疆福海人，采矿工程师，主要从事采矿技术和安全方面的管理工作，Email: 1125649- 219@qq.com。