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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2020, 28(4): 550-557 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.030

采选技术与矿山管理

穰家垅银矿大规模充填采矿采场结构参数优化研究

苏怀斌,1, 张钦礼,1, 张德明2, 曾长根3, 朱晓江3

1.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410000

2.湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410000

3.湖南蓬源鸿达矿业有限公司，湖南 衡阳 421000

Study on the Optimization of Stope Structure Parameters in the Large-scale Backfilling Mining of Rangjialong Silver Mine

SU Huaibin,1, ZHANG Qinli,1, ZHANG Deming2, ZENG Changgen3, ZHU Xiaojiang3

1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410000，Hunan，China

2.Hunan Zhongda Design Institute Co. , Ltd. ，Changsha 410000，Hunan，China

3.Hunan Pengyuan Hongda Mining Co. , Ltd. ，Hengyang 421000，Hunan，China

通讯作者: 张钦礼（1964-），男，山东潍坊人，教授，博士生导师，从事金属矿床地下开采和充填理论与技术研究工作。zhangqinlicn@126.com

收稿日期: 2020-01-06   修回日期: 2020-05-11   网络出版日期: 2020-08-27

基金资助: “十三五”国家重点研发计划项目“大型高尾矿库溃坝灾害防控关键技术研究及应用示范”.  2017YFC0804605

Received: 2020-01-06   Revised: 2020-05-11   Online: 2020-08-27

作者简介 About authors

苏怀斌（1995-），男，河南灵宝人，硕士研究生，从事充填理论与技术研究工作1291306752@qq.com , E-mail：1291306752@qq.com

摘要

穰家垅银矿存在大量采空区和尾砂堆积等问题，矿山采用的空场法已不能满足持续发展的需求。为提高采场作业安全性，缓解地表尾砂排放压力，拟采用二步骤空场嗣后充填法进行回采，以期处理地表堆积的尾砂，保证采场安全稳定，为此亟待确定采场结构参数。研究建立了5种不同跨度的采场结构模型，利用有限元仿真模拟软件分析二步回采后顶柱、充填体人工矿柱的应力及位移，综合对比不同方案下的顶柱和充填体间柱的安全性，得出采场跨度为15~25 m时，采场安全稳定。考虑到矿山经济效益，最终确定合理的采场跨度为20~25 m。这对同类工程地质条件下的矿山开采具有借鉴意义。

关键词： 采矿方法 ; 二步骤空场嗣后充填 ; 采场结构参数优化 ; 数值模拟 ; ANSYS

Abstract

Rangjialong mine is a continuous mining mine，and a large number of mined-out areas are left over from years of open-field mining，which are prone to caving and collapse，thus inducing large-scale ground pressure activities.A large number of pillars are left in the open field method，and the loss of pillar resources is serious.At the same time，tailings pond design dam crest elevation of 165 m，the current has been discharged to 156 m，tailings pond storage capacity is close to saturation，the mine is facing the dilemma of nowhere to discharge the tailings.In order to solve the above problems，the mine will change the current method to the two-step stope backfilling method，which is urgent to determine the safe and reasonable stope structure parameters，mainly considering stope span.In this study，finite element simulation software was used to establish 5 stope structure models with different spans，with a gradient of 5 m and a span range of 15~35 m.The two-step stoping process is simulated，and the stress distribution and displacement variation of the two step stoping pillar and backfill artificial pillar were obtained，and the ultimate strength of the stope rock (or backfill) was compared，and the stope structure parameters were optimized.According to the results of simulation，the value of the tensile stress of the artificial pillar and backfill in each scheme is less than the allowable tensile stress，the safety coefficient of the tensile stress decreases with the increase of the stope width，and the minimum value is close to 2.0.The roof column and pillar under each simulation scheme are not in a state of instability.When the stope span is between 15 m and 25 m，the simulated compressive stress value of the corresponding model is in the critical state or stable state，the compressive stress safety coefficient is greater than 1.3，and the Y direction displacement is uniform.The simulated compressive stress value of the roof pillar is very close to the allowable value when the stope span is greater than 30 m，the roof column is prone to compressive stress failure.The overall displacement change in the Y direction of the filling artificial pillar under 5 schemes does not exceed 10 mm，which is safe and controllable.In order to ensure the economic benefits of the mine，the reasonable stope span is finally determined to be 20~25 m，the stope width is 40 m and the stage height is 80 m.It can provide theoretical support for the recovery of residual ore resources in mines with similar engineering geological conditions.

Keywords： mining method ; two-step backfilling of empty space ; optimization of stope structure parameters ; numerical simulation ; ANSYS

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本文引用格式

苏怀斌, 张钦礼, 张德明, 曾长根, 朱晓江. 穰家垅银矿大规模充填采矿采场结构参数优化研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 550-557 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.030

SU Huaibin, ZHANG Qinli, ZHANG Deming, ZENG Changgen, ZHU Xiaojiang. Study on the Optimization of Stope Structure Parameters in the Large-scale Backfilling Mining of Rangjialong Silver Mine[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(4): 550-557 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.030

由于长期采用空场法进行回采，穰家垅银矿上部遗留有大量的采空区，且多处出现采空区垮塌现象。为了提高回采作业的安全性，减轻尾矿地表排放压力，在开采下部矿体时，将采矿方法由空场法变更为二步骤空场嗣后充填法。变更采矿方法时，需重新确定合理的采场结构参数，主要考虑采场跨度。合理的采场跨度可以减少采矿成本，保证采场作业安全高效进行，降低安全风险[1-3]。因而，需要从经济技术层面考虑，优化采场结构参数，选择合理的采场跨度[4]。

传统的采场结构参数优化方法主要有解析法[5-6]、工程类比法[6]和模型试验法[7]等，这些方法难以及时准确地实现多种结构参数的优化选择。随着计算机技术与数值分析法的融合，利用计算机仿真模拟软件可进行不同采场结构参数下回采过程中围岩应力应变分析[8-12]。近年来，众多学者利用数值模拟软件进行采场结构参数优化研究。欧任泽等[13]利用3D-σ有限元分析软件研究不同埋深条件下的采场稳定性，获得相应采场深度的最佳结构参数；周富华等[14]采用MIDAS-FLAC3D软件耦合模拟，分析不同矿柱长度下矿体上下盘及顶底板的应力、位移和塑性区的力学响应规律；刘建东等[15]利用Mathews稳定图和FLAC3D数值模拟，并结合理论计算，对采场顶板及矿柱的稳定性进行综合研究，确定合理的采场结构参数；曾杨等[16]将ANSYS与FLAC3D软件相结合，对比分析不同方案的模拟结果，确定最优采场结构参数；潘桂海等[17]在分析矿岩与充填体力学参数的基础上，采用数值仿真模拟方法，设计了4种结构参数，实现了扰动区下采场结构参数的优选。上述数值模拟普遍研究矿山开采时矿岩力学变化规律，确定合理的采场结构参数，而当前矿山存在大规模采空区，从而加剧了回收残矿资源的难度，亟待解决大量采空区下的围岩稳定性和采场结构参数优化等问题。本研究利用ANSYS软件模拟二步回采后不同结构参数的采场应力及变形情况，优选出合理的采场跨度，以期为采场结构参数优化提供理论依据。

1 矿山地质条件

矿区地处低山丘陵区，沟系发育，有利于大气降水的排泄，不会形成泥石流和较大的山体滑坡。该矿区处于地震烈度6度带区，近50年内未发生过地震。矿体赋存于银矿冲断裂之硅化角砾岩中，断裂带最宽达200 m。断裂带结构较为松散，易坍塌，开采时需采取有效措施，避免造成不必要的损失。主矿体规模较大，经工程控制走向延长达510 m，最大延深达350 m。水平厚度为几米至40余米，矿体倾角约为50°，矿石品位为16.43%~53.33%，平均品位为30.81%。

矿区属于续采矿山，多年空场法开采遗留了大量采空区。据不完全统计，矿山+220 m水平以上采空区达到60万m3，极易发生冒顶、坍塌。为防止产生大规模地压活动，需留设大量矿柱支撑采空区，导致矿山资源损失较大。此外，尾矿库设计坝顶标高为165 m，当前已排放至156 m，尾矿库的库容接近饱和，尾矿面临着无处可排的窘境。由此可知，矿体回采条件较差，亟待优化采场结构参数，提高回采作业安全，保障残矿资源的回收利用。

2 ANSYS模型建立

2.1 模型建立条件

井下开采时，进路围岩发生二次应力重分布，开采技术条件复杂多变，为便于数值模型建立和模拟运算，模型建立条件如下：

（1）在遵循矿岩基本地质条件的基础上，简化采场围岩产状，建立数值模型；

（2）模拟的采场高度为阶段高度80 m，开挖矿体的水平厚度为40 m，矿体倾角为50°；

（3）为保证计算精度，模型整体尺寸为开挖范围（矿房尺寸）的3~5倍[18]；

（4）假设矿岩体为理想弹塑性体，是局部均质、各向同性材料，在屈服点以后，材料强度和体积不随塑性流动而变化[19]；

（5）考虑到岩石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均与时间无关；

（6）简化模型上方受力条件为高度100 m岩体的自重应力，模型底面、侧面全约束，仅考虑竖直方向的变形；

（7）矿岩中不考虑结构面及裂隙的影响。

2.2 岩石力学参数

模拟中矿岩及充填体力学参数均采用室内试验值，利用Hoek-Brown公式[20]进行折减，获取相应的力学参数，结果如表1所示。其中，充填体力学参数利用矿山现场取样制备的试块获得。针对高大采场嗣后充填，测试养护28 d后充填体抗拉强度为0.2 MPa，抗压强度为1.59 MPa。

表1   模拟采用的力学参数数据汇总

Table 1  Summary of mechanical parameters data used in simulation

名称弹性模量Em/GPa抗压强度σm/MPa抗拉强度σt/MPa体重/（kg·m-3）泊松比υ黏结力Cm/MPa内摩擦角φm/（°）
围岩8.19.66.32 7500.190.832
矿体7.36.283.55 5000.251.835
充填体0.121.590.21 9400.240.237

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2.3 模型构建

该矿采用两步骤回采空场嗣后充填法间隔回采，为模拟最危险状况，将正在回采的采场设定在矿体最厚大处，且2个二步采矿房同时回采，周围为已充填采场。采场上方为20 m顶柱，其上部为充填体。

阶段高度取决于围岩允许的暴露面积，矿房长度与宽度主要取决于矿石和围岩的稳固性[21]。穰家垅银矿+82.5 m中段高度为100 m，为安全起见，数值模型高度取80 m。采场长度为矿体最大厚度，取40 m。采场跨度取15，20，25，30，35 m，构建了5种不同跨度的数值模型，具体模型构建方案如表2所示。

表2   不同采场结构参数模拟方案

Table 2  Simulation scheme of different stope structure parameters

模拟序号宽度X/m长度Y/m高度Z/m
1154080
2204080
3254080
4304080
5354080

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2.4 网格划分

为提高计算效率，保证计算精度[22]，开采范围内以2 m间隔划分网格，开采范围之外以5 m划分网格。数值模型剖面如图1所示。以跨度20 m的整体模型为例，剖面规格为200 m×450 m（宽度×高度）。

图1

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图1   数值模型剖面图

1-胶结充填体；2-矿体顶柱；3-充填体人工矿柱；4-矿体

Fig.1   Numerical model section


3 模拟结果与分析

3.1 模拟结果

针对不同采场结构参数的模拟结果，分析二步回采后的顶柱、充填体人工矿柱应力分布及位移变化。引入综合安全系数[23]指标K，计算矿岩（或充填体）极限抗压（拉）强度和最大压（拉）应力之比。考虑到模型构建条件存在一定的假设，为保证结果的可靠性，以安全系数指标K大于等于1.5为稳定，1.0~1.5属于临界，小于1.0为失稳。具体模拟应力和位移值见表3。

表3   各模型数值模拟结果汇总

Table 3  Summary of numerical simulation results of each model

区域模拟序号模拟压应力值/Pa压应力安全系数模拟拉应力值/Pa拉应力安全系数Y方向位移/m
顶柱17.31E+058.592.82E+0512.420.00141
21.04E+066.043.80E+059.220.00213
34.81E+061.311.29E+062.710.00513
45.41E+061.161.49E+062.350.01113
56.31E+061.001.79E+061.960.04313
充填体人工矿柱11.11E+0514.321.87E+0410.670.01644
22.70E+055.894.44E+044.510.01957
34.88E+053.267.54E+042.650.02351
45.53E+052.888.56E+042.340.02565
56.12E+052.609.26E+042.160.02925

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根据模拟应力应变值变化趋势，选取部分模型（编号2、3、4）模拟结果云图，分别如图2~图4所示，每组图片从左到右、从上到下依次为顶柱拉应力、压应力云图，充填体柱拉应力、压应力云图。

图2

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图2   采场跨度20 m的数值模拟结果云图

Fig.2   Cloud chart of numerical simulation results of stope span 20 m


图3

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图3   采场跨度25 m的数值模拟结果云图

Fig.3   Cloud chart of numerical simulation results of stope span 25 m


图4

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图4   采场跨度30 m的数值模拟结果云图

Fig.4   Cloud chart of numerical simulation results of stope span 30 m


3.2 结果分析

（1）压应力分析。随着采场宽度的增加，顶板和充填体人工矿柱压应力模拟值不断接近许用压应力值，压应力安全系数不断减小并趋向于1.0。构筑的模型采场跨度为15~25 m，顶柱模型模拟压应力值处于临界状态或稳定状态，压应力安全系数均大于1.3。采场宽度达到30 m后顶柱模拟压应力值十分接近许用压应力值，顶柱可能发生压应力破坏。整体模拟计算过程中顶板最大压应力变化不大，主分布在跨中；顶板靠近侧帮处应力集中。

（2）拉应力分析。二步回采后，各个方案顶柱、充填体人工矿柱拉应力模拟值均小于许用拉应力，拉应力安全系数随着采场宽度的增加而降低，最低值接近2.0，各个模拟方案下的顶柱、矿柱未处于失稳状态。由于原有矿柱用充填体替代，矿房的回采使得应力呈辐射状分布，且在模型边界发生应力集中现象。

（3）Y方向位移分析。5种模型中的顶柱、充填体人工矿柱随着采空区跨度的增加，位移量逐步增加。采空区跨度为15~25 m，顶柱位移变化较为均匀。达到30 m后，顶柱位移较大，存在安全隐患。5种方案下的充填人工矿柱Y方向整体位移变化量不超过10 mm，安全可控。

4 结论

综合考虑不同采场宽度回采过程中顶柱、充填体人工矿柱的拉应力、压应力和Y方向位移量等因素，比较不同方案下的安全系数，采场跨度以25 m分界，15~25 m安全合理，不宜采用25~30 m的采场跨度。为实现矿山经济效益最大化，确定+82.5 m中段回采矿房采场结构参数如下：采场跨度为20~25 m，宽度为40 m，阶段高度为80 m。

同时，针对同类工程地质条件的矿山回采时，技术经济条件要求严格，数值模拟研究可提供理论支持。当然，有限元分析软件模拟过程并不能完全反映矿山复杂多变的地质条件，此后研究要根据采场生产实际及时调整回采方案，以保证回采作业安全高效进行。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-4-550.shtml

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