采矿环境再造连续开采地压演化过程的控制与仿真
周科平，朱和玲，肖 雄，陈庆发
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南省深部金属矿产开发与灾害控制重点实验室，
湖南 长沙，410083)
摘 要：针对传统采矿方法回采缓倾斜中厚矿体时存在的诸如地压控制和采场矿石运搬等方面的困难，提出采矿环境再造连续开采采矿方案。运用三维有限差分程序FLAC3D对回采过程中的地压演化规律进行模拟研究，得出各采场应力场和位移场的分布和变化规律，优化采矿工程结构参数和回采顺序，提出切实可行的地压控制措施。研究结果表明：随着开挖逐步推进，围岩位移不断增大，应力集中现象明显，最大压应力达54 MPa，最大拉应力达3.9 MPa，接近围岩的极限强度；在尾砂回填后，底鼓量下降5 mm，最大压应力降至32 MPa，表明应力场和位移场均得到改善，能确保回采期间采场的稳定。
关键词：缓倾斜中厚矿体；数值模拟；地压；演化规律
中图分类号：TD853.399 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)03-0417-06
Control and simulation of ground pressure evolutional process based on reconstructed mining environment and continuous caving method
ZHOU Ke-ping, ZHU He-ling, XIAO Xiong, CHEN Qing-fa
(School of Resources and Safety Engineering, Hunan Key Laboratory of Mineral Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Aiming at a series of challenges such as stress control and ore removal, the reconstructed mining environment and continuous caving method was proposed to exploit the slightly inclined medium size deposits using the traditional mining methods. In order to get the distribution and variation rules of both stress and displacement fields, a calculation model of figures was built up by FLAC3D to simulate ground pressure evolutional process. The stope structural parameters and mining sequence were optimized, and the practical and feasible control technologies were proposed. The results show that the concentration of displacement and stress in surrounding rock intensifies with the increase of excavation steps. The maximum compression and tension stress reach 54 MPa and 3.9 MPa, which are close to the peak strength of surrounding rock. When the tailings are backfilled, the magnitude of floor heaves reduces about by 5 mm, and the maximum compressive stress drops to 32 MPa. Distribution of both stress and displacement fields are improved and the stability of stopes can be ensured during the mining process.
Key words: slightly inclined medium size deposits; numerical simulation; ground pressure; evolutional law
我国许多金属矿和非金属矿都属于缓倾斜矿体。由于矿体倾角较小，采场内崩落的矿石难以实现重力 运搬，采空区顶板暴露面积有限，低成本、安全可靠的护顶技术问题未得到有效解决，且不能实现大量落矿的高效连续采矿等使得它成为难采矿体[1-2]。目前，我国对缓倾斜中厚矿体的开采主要采用底盘漏斗房柱法，但其在底板岩石中的采切工程量大，采切比高(有的高达30~50 m/t)，而且留下大量矿柱，造成矿石损失率高达20%~30%[3]；而对于围岩稳固性较差的矿体则采用充填法回采，如黄沙坪铅锌矿、青山铜矿等，采用该方法虽能确保安全，但存在生产能力低、开采成本高以及采掘工艺复杂等主要问题。中南大学在充分吸收国内外缓倾斜矿体开采方面的技术成果[4]基础上，依据此类矿体的特点，针对传统采矿方法存在的主要问题，以安全高效低成本无废害开采为目标，从技术创新的高度提出采矿环境再造连续开采方案[5-6]。采矿环境再造连续开采方案的基本思路是依据缓倾斜中厚矿体的特点，不留永久矿柱，矿块采用一步回采分步实施的方案，即首先回采部分矿块，再用胶结充填料构筑人工矿柱，然后，在新的采矿环境下采用强制与诱导耦合的高效落矿方法进行回采，待出矿完毕后用尾砂一次性充填采空区。采用该方法能有效克服传统采矿方法的生产能力小、安全性差、成本高等诸多弊端，且有创新性和实用性。其中，采场结构保持稳定是采矿环境再造连续开采方案能顺利实施的关键。因此，必须掌握回采过程中地压活动演化规律，以便可以科学地预测和控制地压，确保采矿的顺利进行。在此，本文作者运用数值模拟方法来研究应力场和位移场随开挖时步的分布和变化规律，并结合相应的地压控制技术，为该采矿法的设计与施工提供指导。
1 工程概况
1.1 试验矿区采矿技术条件
试验盘区矿体主要为花岗岩接触交代矽卡岩型钨矿，产状受花岗岩形态所控制，呈似层状和透镜状 分布；矿体赋存标高1.80~1.89 km，沿走向长245 m，沿倾向长260 m，倾角为10?~30?，平均厚度为10~ 33 m，矿石致密坚硬，稳固性好，稳定系数f ≥10；下盘为花岗岩，其稳固性随风化程度有所差异，f = 3~15；上盘多为变基性玄武岩、大理岩，稳固性较好，f =10~15；胶结充填要求充填体自立性好且能承受支撑顶板压力，矿石、围岩的物理力学性质见表1。
表1 矿石和围岩主要物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical properties of rocks and orebody
根据上述开采技术条件以及达到矿山2 kt/d生产能力的要求，实现经济、高效及安全的目标，经多方案分析论证，设计采用开采环境再造连续采矿法。
1.2 采矿环境再造连续开采法
采矿环境再造连续开采法包含有2层含义：
a. 环境再造。其本质是通过一定的技术手段，改造矿床赋存的地质条件，人工构筑开采环境，以减少回采过程中对原岩状态的扰动范围和程度，保持采矿工程的稳定性。
b. 连续采矿[5]。指采用大量落矿技术，高强度集中采矿，一步连续回采(不留间柱)，在阶段开采顺序上连续推进的高效率采矿技术。
试验矿块回采布置形式如图1所示。在矿块中部沿倾斜方向布置1条横向胶结充填采场作为矿柱，将矿块划分为东、西2个开采盘区，再沿走向交错布置充填采场和空场采场(嗣后充填)。其基本步骤是超前回采充填采场，用胶结充填体构筑支撑框架，构建采矿环境，再以连续回采工艺依次回采各个采场，直至整个盘区回采完毕，最后进行尾砂充填。
单位：m
图1 矿块回采布置形式
Fig.1 Profile of experimental scheme of stopes
2 关键技术
地压控制[7]是采矿设计和采矿过程中的重要内容之一，其核心是采取合理、可行的方法防止围岩产生大的移动和破坏，并确保开采系统的稳定性。采矿环境再造连续开采方案运用以下关键技术控制地压。
2.1 开采环境再造技术
采矿过程改变了矿体赋存的初始环境，打破了原有的应力平衡，引起岩体变形和破坏，为了保持采矿工程的稳定性，常常被动地采取各种措施加以支护。而环境再造则是通过构建人工采矿环境这一地压控制技术，减少对原有地压环境的扰动来维护采矿结构的稳定。依靠合理布局人工矿柱，优化回采顺序，提高充填体强度等方法，改善围岩的应力分布，营造安全的采矿环境。数值模拟结果显示，超前构筑的充填矿柱改善了采矿环境，在回采过程中支撑上盘围岩，这对维护整个盘区的稳定起了关键作用。
2.2 充填技术
充填方法[8]被认为是一种最为有效的地压控制技术，本方案分别设计胶结充填技术构筑矿柱和尾砂充填技术回填采场，它们共同作用维护了盘区的稳定。最小主应力和最大主应力随开挖时步的变化关系分别如图2和图3所示。可见，胶结充填矿柱应力变化曲线平稳，说明矿柱具有一定的刚度、良好的可塑性和较高的残余强度，能通过与围岩共同承载来改善自身的应力分布和提高承载能力。最大沉降量随开挖时步的变化如图4所示。可见，在尾砂回填后各采场顶板仍发生较大的沉降，说明尾砂由于强度较低，无法支承顶板来约束其移动和沉降；但是，图3显示在尾砂回填后采场的最大主应力从-54 MPa变化至-32 MPa，说明充填体发挥了让压[5]作用，通过其本身的变形使围岩释放地压以降低应力集中程度，改善应力分布状态；此外，尾砂回填给充填矿柱提供了一个侧向压力，使其由单轴受力状态转化为三轴受力状态，拉应力明显降低。
图2 采场最小主应力与开挖时步的关系
Fig.2 Relationship between minimum principal stress distribution of stope and excavation steps
图3 采场最大主应力与开挖时步的关系
Fig.3 Relationship between maximum principal stress distribution of stope and excavation steps
图4 采场最大沉降量与开挖时步的关系
Fig.4 Relationship between vertical displacement of stope roof distribution and excavation steps
2.3 数值仿真技术
采用数值仿真技术通过计算围岩应力及岩体内部应力场的分布特征与变化规律对采场结构参数进行优化[9-11]。在相同的原岩应力场及岩体强度参数条件下，若采场结构参数不同，则其围岩及矿柱的应力和位移分布状态也明显不同，这直接关系到采场自身的稳定。在采场长度和顶板极限暴露面积一定时，对采场宽度为30 m和40 m时进行数值模拟，发现当采场宽度为40 m时，其暴露面积仍小于极限值5 000 m2，即能维持顶板的稳定，而且还能提高底部结构桃形矿柱的稳定性。此外，采用一步连续回采以及高效崩矿和出矿技术实现强采、强出，加快了采矿工序的进程，缩短了空区暴露的时间，对地压控制也起重要作用。
3 数值模拟
为检验采矿环境再造连续开采方案的可行性和优越性，并为试验方案设计提供参考，运用三维显式有限差分程序[12-13]对盘区结构参数、开挖顺序以及充填效果进行数值模拟，探讨在开挖扰动过程中矿岩应力场和位移场的动态变化规律和发展趋势，并以此为依据分析采场失稳的可能性和影响稳定性的各种因素。
数值模拟结果主要反映应力场和位移场随盘区开挖的变化和分布情况，通过对各个时步在不同位置分别作最大、最小主应力以及垂直方向位移剖面图，既能获取适时、动态的变化信息[14]，又能观测应力、位移的分布状态，如对称性、迭加性等。
3.1 地压活动规律数值模拟方案
在应力环境中，岩体破坏分为受拉破坏与受压破坏2种。在本次数值模拟中，受拉应力作用的岩体破坏方式按最大拉应力准则来反映，即：
受压应力作用岩体采用Drucker-Prager弹塑性破坏准则[15]来判别岩体的稳定性，其表达式为：
数值模拟结果的可靠性除受所建模型计算范围、边界条件和初始应力影响外，还与模拟步骤与实际开挖步骤有关。因此，应尽量使两者保持基本一致，以得出较真实的试验结果，提高数值模拟的可靠性。本次模拟步骤如下：模拟原岩应力场；开挖充填采场；胶结充填采场；依次开挖1~5号采场；尾砂回填采空区。
3.2 应力场状态及其变化
图2所示为各采场及充填矿柱最小主应力随开挖时步的变化曲线。在原岩应力状态下，盘区各处均为压应力且几乎相等，约为5.4 MPa；随着开挖步骤的进行，应力扰动范围逐渐扩大，压应力逐渐减小，并在空区周围应力降低区直至转变为拉应力，可推断顶、底板和充填矿柱发生塑性屈服而形成卸压区；图2还显示回采工作结束后，1号与5号采场拉应力相当且略小，而2~4号采场拉应力相当而略大，可推断最小主应力呈对称分布，在采场角隅处出现应力集中现象，而在顶板中央出现最大拉应力达3.9 MPa，但小于上盘大理岩的单轴抗拉强度。此外，相邻采场开挖所引起的应力迭加现象明显，加强了应力集中程度，大大削弱了盘区的稳定性。同时，最后的尾砂回填使充填矿柱所受拉应力大大降低，但对采场作用效果不明显。其原因可认为是回填尾砂强度低，无法限制顶板的移动，但它能给矿柱提供了一个侧向压力，使其由单轴受力状态转化为三轴受力状态。
图3所示为各采场及充填矿柱最大主应力随开挖时步的变化曲线。可见，在初始条件下，各处最大主应力均为11.1 MPa，从整体上看，采场应力变化曲线与充填矿柱的应力变化曲线有显著不同。充填矿柱最大主应力曲线变化平稳，无论是开挖阶段还是充填阶段均变化不大；而采场内应力随开挖和充填步骤变化明显，并且前一采场应力集中程度随着后一采场的开挖而不断加强，在所有采场开挖结束后最大主应力达54 MPa，几乎是初始条件下的5倍，接近上盘大理岩的抗压强度，造成顶板产生0~6 m的塑性破坏，但远小于下盘花岗岩的抗压强度。
在尾砂回填后最大主应力降至32 MPa，并且改善了整个盘区的应力环境，限制了上下盘围岩的进一步破坏。此外，最大主应力也呈现出明显的对称性，中央应力高，往两边逐渐降低，极值出现在中央采场的两侧上角隅处。由于相邻两采场间仅充填矿柱间隔，因此，该应力迭加现象明显，造成两采场间矿柱的最大主应力远远高于采场外侧围岩的最大主应力，并且在矿柱顶部和底部围岩中出现拉应力，使两采场外围岩的拉应力区连成一体。
3.3 位移场特征及其变化
提取各个时步顶板剖面垂直位移图数据，得到各采场及矿柱沉降量随开挖步骤的变化曲线，如图4所示。可见，各采场顶板的最大沉降量变化趋势大致相同，随着开挖的不断进行，沉降量继续增加，且增加的幅度不断增大。由于尾砂本身抗压强度低，几乎不承受顶板压力，因此，尾砂回填对限制顶板沉降作用很小。其次，各采场的最终沉降量还呈现出明显的对称性：1号与5号，2号与4号，3号与充填矿柱，它们的沉降量分别近似相等，盘区中央沉降量大，往两侧逐渐减少，其中3号采场最大沉降量达99.2 mm。
最大底鼓量与开挖时步的变化关系如图5所示。可见，底鼓量受开挖影响最为明显，采场本身的开挖会引起较大的底鼓，相邻采场的开挖引起少量底鼓，而间隔采场的开挖则会引起先前底鼓回弹。值得注意的是，尾砂回填对抑制底鼓作用效果明显，如回填尾砂前4号采场底鼓量达5.5 mm，回填后降到5.0 mm。
图5 采场最大底鼓量与开挖时步的关系
Fig.5 Relationship between vertical displacement of stope footwall distribution and excavation steps
由于相邻采场的开挖，底鼓现象也呈现出对称性和迭加性特征，随着回采工作的进行，暴露面积不断扩大，各采场底鼓连成一体且影响范围变大。
4 结 论
a. 运用采矿环境再造连续开采方案回采缓倾斜中厚矿体，实现了盘区一步连续回采和无轨设备出矿；同时，采用其环境再造技术能有效控制地压，可确保回采期间采场的稳定性，从而实现经济、高效和安全回采。
b. 运用FLAC3D软件模拟了盘区应力场和位移场随开挖时步的分布和变化规律，得出最大、最小主应力和最大沉降、底鼓量，以及应力场和位移场呈对称性和迭加性现象，这对采场布局设计和回采顺序优化有重要指导意义。
c. 回填尾砂不能限制顶板的沉降，但能约束侧向围岩和底板的移动，并且改善应力分布状态，使最大主应力从54 MPa降至32 MPa。此外，尾砂回填给充填矿柱提供了侧向压力，使其由单轴受力状态转化为三轴受力状态，增强了矿柱的稳定性。
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收稿日期：2007-12-20；修回日期：2008-02-15
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAB02A02)；国家自然科学基金资助项目(50490274)；国家教育部博士点基金资助项目(20050533035)
通信作者：周科平(1964-)，男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师，从事采矿与矿山岩石力学教学与研究工作；电话：0731-8879965；E-mail: ac-milan0905@163.com
