滑石矿下向进路充填采场结构参数优化_邢军.pdf

滑石矿下向进路充填采场结构参数优化 邢军 1 范凯 1， 2 姚维 1 邱景平 1 孙晓刚 1 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 济南城建集团有限公司， 山东 济南 250000） 摘要范家堡子滑石矿前期采用分层崩落法进行回采， 造成了地表塌陷、 回采率较低、 矿石损失较严重等问 题。滑石矿作为一种高价值的矿产资源， 为提高资源回采率以及实现绿色采矿， 现场决定改用下向水平分层进路 充填采矿法进行深部矿体的开采。目前国内外很少使用充填法进行滑石矿开采， 为此需要对范家堡子滑石矿的下 向充填采矿进行深入的分析研究， 优化采场结构参数， 实现采场稳定。3个方案进路断面宽高分别取3 m3 m 方案一、 4 m3 m方案二、 5 m3 m方案三， 利用FLAC3D软件对采场结构参数进行了数值模拟， 得出了最优结 构参数进路断面宽高为4 m3 m方案二， 为现场的下一步的生产提供了理论依据。 关键词滑石矿下向水平分层进路充填采矿法FLAC3D数值模拟采场结构参数优化 中图分类号TD875.3文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-062-06 DOI10.19614/ki.jsks.201906011 Stope Structure Parameter Optimization for Downward Drift Backfill Stoping of Talcum Mine Xing Jun1Fan Kai1， 2Yao Wei1Qiu Jingping1Sun Xiaogang12 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. Jinan Urban Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250000， China） AbstractThe slicing caving was adopted in the early stage of Fanjiapuzi Talc Mine，which results in surface subsidence，low recovery rate and high ore loss. As a kind of high value mineral resources，it is decided to adopt the down- ward horizontal slicing and backfill mining for deep talcum ore， in order to improve the recovery rate of resources and realize green mining. At present，the backfill is seldom used in exploitation of talc mine at home and abroad. There- fore，it is necessary to conduct in-depth analysis and research on downward backfill mining in Fanjiapuzi talc mine， optimize stope structural parameters and achieve stope stability. Three schemes with the widthheight of 3 m3 m（scheme 1） ，4 m3 m（scheme 2）and 5 m3 m（scheme 3）respectively are investigated. The structural parameters of stope are simulated by FLAC3D software to gain the optimal structural parameters of the section（widthheight）4 m3 m（scheme 2） . The result provides a theoretical basis for the next production in the field. KeywordsTalcum mine， Downward horizontal slicing and backfill mining ， FLAC3D numerical simulation ， Stope structure， Optimization of parameters 收稿日期2019-03-27 基金项目国家自然科学基金项目编号 51774066。 作者简介邢军 （1967） ， 男， 教授， 博士。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 下向进路充填采矿法是一种由上而下巷道掘进 形式的开采方法， 由于其顶板暴露面积小、 矿石损失 贫化小、 采场顶板稳定性好等优点， 下向进路充填在 国内外已广泛应用于矿岩软弱破碎、 矿石品位高、 矿 石价值高的矿山 ［1-2］。目前， 针对其采场最优结构参 数的选取主要存在以下3种方法 经验类比法、 相似 材料模拟法以及数值模拟法。由于矿山岩性的不完 全相似性， 经验类比法在确定采场结构参数时的不 合理性逐渐被揭露； 虽然相似材料模拟有一定的可 取之处， 但其时间与人力耗费较大； 随着计算机技术 的不断发展， FLAC3D由于其能弥补上述2种方法的 一些缺点， 并能较准确地反映各岩层的受力状态而 得到广泛应用。 国内外已有许多矿山通过数值模拟确定采场结 构参数， 并因此很好地指导了矿山实际开采。缪国 卫等 ［3］通过数值模拟确定了合理的采场结构跨度参 62 ChaoXing 数， 改善了采场冒顶、 片帮等问题； 叶海旺、 常剑等 ［4］ 利用数值模拟确定了房柱法开采水平矿体时的最优 采场结构参数， 显著降低了矿石的损失与贫化； 刘光 生 ［5］通过室内物理模拟实验与数值模拟分析了充填 体强度随采场结构参数的变化关系； 刘志义、 张丽春 等 ［6］用数值模拟对二步矿柱在不同结构参数和两侧 不同充填配比开采条件下的稳定性进行了分析， 得出 了高效的一步采场充填配比和二步采场结构参数。 基于上述的研究成果， 利用数值模拟来确定范家堡滑 石矿开采的最优采场结构参数是合理可行的。 本研究针对范家堡滑石矿在开采过程中由于矿 石稳定性差、 地质条件复杂等问题而造成矿石损失 贫化较严重现象， 通过FLAC3D数值模拟软件建立了 下向充填法数值模拟模型， 确定了最优采场结构参 数。得到的采场结构参数对该工况条件下采场的经 济、 安全、 高效开采具有重要的现实意义。 1工程背景 范家堡子滑石矿是矿化集中区中规模最大的滑石 矿床， 矿石品质好、 价格高， 但工程地质条件复杂， 矿体 破碎， 开采技术条件比较复杂。矿区以F2断层为界， 分东西2个独立采区分别开采。本项目针对西采区延 伸开采进行研究。西采区开采Ⅰ号滑石矿体， 84 m 以上已经通过露天开采完毕， 后转为地下开采， 采用分 层崩落法开采78～84 m分层。但在回采过程中发 现分层崩落法造成了地表塌陷且回采率较低。 基于以上问题， 分层崩落法已不适用于矿山开 采， 同时为解决废石堆放与地表塌陷等问题， 优选出 了下向充填采矿法进行78 m以下矿体的回采， 但要 保证范家堡子滑石矿在开采过程中经济和安全上的 合理性， 需要对该采矿方法的结构参数进行深入的 分析研究。 2数值模拟研究 研究基于层次分析 ［7］和模糊数学［8］综合评判， 确 定了范家堡子滑石矿采矿方法改为下向水平分层进 路充填采矿法。限于篇幅， 本文不再赘述。 以下主要通过数值模拟确定采场的最优结构参 数， 以实现采场稳定。 2. 1模型建立 由于数值模拟软件的局限性， 以及矿山地质条 件的复杂性， 需要对模拟的边界条件进行一定的假 设 ［9］ 岩体以及充填体都视为均质各向同性材料； 采 场开挖与充填一次完成， 忽略爆炸冲击波的影响； 每 次充填都能够完成接顶； 矿山巷道、 井筒对采场的影 响较小， 在模型建立中忽略不计。 以36～66 m中段为模拟对象， 建立数值分析模 型， 如图1所示。根据地应力条件， 并参照国内外数 值模拟中常用的边界条件设置方法及实际问题边界 条件特点， 设定本次模拟的边界约束 在模型侧面分 别施加水平方向荷载来模拟水平方向构造应力 ［10］， 底部限制垂直位移， 模型上表面自由约束， 边界条件 如图2所示。 2. 2模型材料参数 本次模拟过程中矿岩及充填体均选用摩尔库 伦本构模型； 岩 （矿） 体力学参数依据岩石工程地质 特征表， 以及基于Hoek-Brown 准则 ［11］的岩体力学参 数计算公式， 计算得到所需的力学参数， 见表1。通 过查阅国内外相关文献 ［12-14］， 借鉴有关充填体强度的 选择经验， 得出适合该矿山安全开采的胶结充填体 强度需大于5 MPa。采用矿山前期露天开采所剥离 的废石经过破碎作为充填粗骨料， 经过单因素正交 试验得出废石胶结充填体的最优灰砂比为1 ∶ 8， 浓度 控制在 87左右， 充填体单轴抗压强度达到 5.86 MPa。对该配比的废石胶结充填体试块在YH-40B 型养护箱中养护28 d后，再通过相关室内力学实验得 到充填体的力学参数。 邱景平等 滑石矿下向进路充填采场结构参数优化2019年第6期 63 ChaoXing 2. 3模拟方案及结果分析 通过查阅文献 ［9， 12］ 发现进路参数中， 宽和高 对充填体及相邻进路矿体稳定性影响较大， 进路回 采巷道高度一般为3～4 m， 宽度一般为3～5 m。 由于该矿山机械化程度低， 所以本次模拟固定 进路巷道高度为3 m， 设计了3种进路规格参数， 计算 中进路断面 （宽高） 分别取3 m3 m （方案一） 、 4 m3 m （方案二） 、 5 m3 m （方案三） 。为了减少运 算步骤， 每一分层内的进路采取 “隔一采一” 的方式 进行回采， 将进路进行编号， 其中奇数进路为一步矿 块， 偶数进路为二步矿块。由于步数较多， 只列举出 各方案的第7步和第20步的开挖模拟云图。3个方 案竖向位移部分模拟结果见图3～图5。 （1） 分层进路顶板位移分析。将各方案的位移 模拟结果绘制成图进行对比， 如图6～图7所示。顶板 竖直位移主要为负值， 随着每一分层的逐步开采， 位 移逐渐增大， 即顶板向下沉陷。从图6可以看出， 顶 板位移图呈锯齿状向下下沉。进路回采时采用采一 隔一的方法进行， 在开挖同一分层时， 由于偶数步数 开挖是在每一分层先采进路充填后的充填体支撑作 用下开挖的， 充填体的刚度远小于矿体， 变形量大， 顶板产生位移突变。开挖下一分层时， 由于上覆充 填体远小于矿体的刚度， 抵抗变形能力弱， 通过充填 体转移的应力量不大， 保证了下一分层矿体开采时 的稳定性。3个方案分层开挖过程中， 顶板最大下沉 量为方案三的34.1 mm， 均未超过容许位移极限值。 金属矿山2019年第6期总第516期 64 ChaoXing （2） 塑性区分析。各开采步塑性区分布为拉伸破 坏和剪切破坏， 塑性区主要分布在充填体内部和中段 附近的岩体中。从塑性区的模拟结果图8～图10可 以看出， 在回采过程中， 塑性区范围较大， 主要为上覆 充填体的拉伸破坏， 这对充填体的强度要求较高， 为 了保证回采过程中的安全， 必须要保证充填体的强度 达到要求。将各方案的塑性区体积绘制成图进行对 比， 如图11。从图8～图10还可以看出， 塑性区区域主 要分布在开挖区域的顶底板中， 与开挖进路相邻的充 填体进路内的塑性区分布较小， 并不影响支撑效果。 方案三 （5 m3 m） 产生了大面积的塑性区贯通， 空区 顶板不但产生了水平方向上的贯通， 竖直方向上也产 生了贯通， 而且开挖进路的上一分层塑性区范围较 大， 达到了整个分层的2/3， 说明顶板充填体已经发生 了严重破坏， 开采过程十分危险。从塑性区体积对比 图可以看出， 方案一 （3 m3 m） 和方案二 （4 m3 m） 的塑性区总体积小于方案三， 且没有发生大面积的贯 通， 开采过程是安全可靠的。 2. 4对方案二数值模拟监测 通过数值模拟， 虽然方案一 （3 m3 m） 也满足安 全生产要求， 但从矿石产量方面考虑拟选用方案二 （4 m3 m） ， 所以必须对开采完毕后的矿房内的充填 体进行埋点监测， 监测点布置如图12， 得到各监测点 位移变化曲线如图13～图16， 发现各方向位移变化量 不大， 充填体稳定， 可以判断出在此方案下， 矿体开 挖对四周岩体影响较小， 能够保持稳定。 邱景平等 滑石矿下向进路充填采场结构参数优化2019年第6期 65 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ 3结论 （1） 为解决范家堡子滑石矿所存在的地表塌陷、 矿石损失贫化大等问题， 根据矿岩和充填体的力学 参数， 建立了数值模拟模型以便进行采场结构参数 优化。 （2） 3个方案在分层开挖过程中， 顶板最大下沉 位移为方案三的34.1 mm， 未超过容许极限位移量， 但方案三 （5 m3 m） 空区顶板在竖直和水平方向上 产生了大面积塑性区贯通， 顶板充填体发生严重破 坏。 （3） 虽然方案一 （3 m3 m） 满足安全生产要求， 但基于安全和经济效益方面， 在实际开采过程之中， 选择方案二最为理想。对回采完毕后的方案二 （4 m3 m） 进行埋点监测， 得出充填体稳定、 各方向位 移变化量不大， 验证了方案二的可靠性。 参 考 文 献 郭金喜. 下向进路胶结充填采矿法充填参数选择及工艺实施的 新技术 ［J］ ．新疆有色金属， 1998 （4） 12-14. 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