喀拉通克铜镍矿下向进路法采场结构参数优化

李守强 汪 亮 郭振鹏

（1.喀拉通克铜镍矿矿业有限责任公司2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

喀拉通克铜镍矿是一家集采矿、选矿及冶炼为一体的大型有色金属联合企业，共有3个矿床，其中一号矿床属于极破碎的大型矿床，矿床分5个矿带：Ⅰ矿带（特富矿）、Ⅱ矿带（富矿）、Ⅲ矿带（贫矿）、Ⅳ矿带（低品位原生矿）、Ⅴ矿带（低品位氧化矿）。由于一号矿床矿体条件较差，矿山基本采用下向进路胶结充填法开采，进路面积小，开采成本高，对充填体的要求也高，支护量大，矿山综合采矿成本非常高，在采富矿时，矿山有盈利，照此回采贫矿体，可能会造成矿山亏损。因此需要对一号矿床贫矿体的采矿方法进行优化研究。

1 采矿方法优化

1.1 现采矿方案

一号矿床的采矿方法为下向进路胶结充填法，采场按矿体走向布置，在矿体走向方向每80～100 m划分为1个盘区，回采进路沿矿体走向布置。首采分层进路断面尺寸为2.0 m×2.0 m，其余分层进路断面尺寸为（2.5～3.5）m×（2.5～3.5）m，每5个分层设1个分段巷道。回采进路的选择可以采用隔二采一的方式。当1条进路开采完毕后，马上进行充填作业，当1个分层的进路全部回采完毕后，便转入下1个分层进行回采。

1.2 采矿方法优化方案

根据一号矿体的开采技术条件，可以选择的采矿方法较少，目前矿山采用的下向进路胶结充填法是比较合适的采矿方法，只是进路断面尺寸偏小，一次落矿量较少，影响了采矿效率；此外采用隔二采一的回采顺序，有三分之二的进路要采用较高配比的充填砂浆进行充填，高配比充填体占比较多，进一步提高了采矿成本。

基于此，在原方案的基础上扩大进路断面尺寸，回采时隔三采一，为了确保回采安全和参数合理，研究采用数值模拟和现场试验的方法予以确认和验证［1］。

2 力学参数处理

2.1 矿岩力学参数

本次研究参考以前的科研成果，综合考虑岩体的质量等级，推荐用于本次研究的数值模拟的岩体力学参数见表1。

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2.2 充填体力学参数

本次数值模拟充填体的物理力学参数采用《喀拉通克矿业公司固废生态化充填利用技术研究》中数据，其物理力学参数见表2。

2.3 配筋方案

参考相关研究成果［2-3］，结合矿山情况，确定配筋方案：采矿时将最后2次爆破的矿石均匀铺撒在采场底板上，厚度为30 cm，再铺设钢筋网架，并用吊筋将网架固定于采场顶板上。吊筋网度1.6 m×1.6 m，直径为10 mm；主筋网度1.6 m×1.6 m，直径为10 mm；副筋间距200 mm×200 mm，直径为8 mm；三角挂筋直径为10 mm。钢筋假底必须在同一分层连成一个整体。横筋铺设时，如果旁边为待采进路，则需要横筋端部向上弯起300～500 mm，便于和相邻进路连接。假底钢筋铺设完必须保证150～200 mm的架空高度，严禁在底筋未架高的情况下直接充填。三角挂筋在充填前要预埋好，以保证转层后吊筋挂环的出露。底筋间相互搭接、吊筋和吊环搭接时，搭接长度需大于150 mm。

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2.4 配筋充填体力学参数计算

配筋充填体是由钢筋网和充填体构成的复合材料，属于非均质，非线性材料。在数值分析中要采用分别不同材料，单元类型模拟（即建立分离模型），这种模拟方式计算量过大，不适应对其整体结构进行分析。因此本项目通过假设钢筋网和充填体土黏结良好，忽略钢筋网与充填体之间的粘结滑移，认为两者共同承受载荷。建立配筋充填体的整体等效模型［4-5］。钢筋的弹性模量为210 GPa，屈服强度为235 MPa，泊松比为0.27，容重为7 850 kN/m³。

（1）配筋充填体的弹性模量采用等效弹性模量［6］，其计算公式为

式中，Ee为配筋充填体的等效弹性模量，GPa；Ec为充填体的弹性模量，GPa；Eg为钢筋的弹性模量，GPa；A为含有配筋的充填体横断面总面积，m2；A1为充填体的横断面积（不含钢筋截面积），m2；A2为充填体横断面内钢筋的横断面积，m2。

计算结果为0.838 GPa。

（2）根据等强度理论［7］，估算配筋充填体等效的抗拉强度公式为

式中，Rt为配筋充填体等效的抗拉强度，MPa；为充填体的动抗拉强度，MPa；为钢筋的动屈服强度，MPa；为充填体结构钢筋含量的体积率。

经过计算，配筋充填体抗拉强度为1.178 MPa。

（3）配筋充填体抗剪参数计算是根据充填体不同灰砂比的试验数据，通过C、φ值建立与弹性模量和抗拉强度的多元线性回归方程C=2.345Rt-0.119Ee-0.229，φ=-2.589Rt+3.74Ee+36.03，计算得配筋充填体的黏聚力为2.434 Pa，内摩擦角为36.114°。

2.5 力学参数汇总

本次数值模拟矿岩体、充填体及配筋充填体的力学参数见表3。

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3 数值模拟

本次数值模拟采用FLAC3D软件［8］，进路断面由高度和跨度决定，进路的高度采用数值模拟一般难以进行优化选择，因此，本次模拟在现行3.5 m高度下，进行跨度3.5、4.0、4.5、5.0和5.5 m的方案模拟分析，开采顺序按隔三采一。

3.1 应力分析

3.1.1 最大主应力分析

通过模拟可知，采空区所造成的应力集中主要出现在采空区两侧附近，见图1～图3。

由图3可知：矿柱内最大主应力随采场跨度增大呈线性增长趋势，一步骤、四步骤矿柱内部最大主应力较小，二、三步骤矿柱内部最大主应力较大；一步骤开采时，二、三及四步骤采场均为矿体，矿体承载能力较高，此时矿柱内最大主应力较低；二步骤开采时，一步骤采场为充填体，其承载能力较弱，此时主要由三、四步骤采场的矿体支撑，由于矿柱横截面积减小，其内部应力升高。开采三步骤时，其两侧均为充填体，只有四步骤采场为矿体，矿柱横截面积进一步缩小，最大主应力进一步增大。开采四步骤时，矿柱只有充填体形成的人工矿柱，其承载能力较弱，应力大量转移至盘区两侧。因此，矿柱内应力又开始减小。

3.1.2 最小主应力分析

模拟可知：拉应力主要分布在采场顶板处，见图4～图6。

由图6可知：采场顶板内最大主应力均随采场跨度的增大而逐渐增大。三、四步骤相较一、二步骤顶板内拉应力大大增加。在实际开采过程中，可考虑将一、二步骤采场跨度适当扩大，三、四步骤跨度适当缩小，以防止三、四步骤采场顶板拉应力过大。一、二步骤回采时，采场顶板内拉应力随跨度平缓增长。考虑到顶板内拉应力与其最大承受拉应力间应保持一定的安全系数，可选择一、二步骤采场跨度为4.5 m，三、四步骤采场跨度为4 m。

3.2 位移分析

采场围岩位移随着每步骤的开采，顶板位移极值也不断变化着位置，见图7～图9。

由图9可知：采场顶板位移随采场跨度的增大，大致呈线性增长趋势。且随着开采的进行，每步骤间顶板位移的变化值均在3 cm左右，未出现瞬间变化过程。说明该方法开采过程中，没有出现较大的破坏现象，而造成位移突然增大。

4 结论

本次研究从现采矿方案找出断面小、开采顺序不合理等不足，制定多种参数方案采用数值模拟的方法可知：不同采场跨度的下向进路胶结充填法，其顶板位移值平缓增长，未发生较大突变，顶板内拉应力值也未超过配筋充填体的抗拉强度。推荐一、二步骤采场跨度为4.5 m，三、四步骤采场跨度为4 m；矿山现分层高度为3.5 m，根据现场踏勘情况，边帮情况较好，高度可以适当提高至4～4.5 m。本次研究成果的应用使得矿山多方面效益得到明显提升。