DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.040

厚大矿床阶段嗣后充填采场逐段优化设计与数值分析

董璐¹，杨志强^{1, 2}，高谦¹，李茂辉¹，王有团¹

(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；

2. 金川集团股份有限公司，甘肃 金昌，737100)

摘要：针对厚大矿床阶段嗣后充填采矿设计采用单一和确定的采场结构型式和参数的局限性，提出采场逐段优化设计方法。以河北省滦县司家营铁矿南区为工程背景，综合考虑安全生产和矿岩稳固条件存在的差异性，选择与之相适应的间隔式、对角式和点柱式的采场结构类型；从首采阶段开始，按照阶段开采顺序，以盘区采矿成本为优化目标，采场安全系数、地表岩移和矿石损失率为约束条件，借助FLAC^3D三维数值模拟分析软件逐段建立阶段嗣后充填采场设计的优化模型，获得各个阶段的采场结构型式和优化参数。通过对最优方案的数值分析，研究和评价分段采矿设计地表岩移、围岩应力和采场稳定性。研究结果表明：逐段优化设计是实现厚大贫矿床安全高效开采的关键技术，对矿床生产具有一定的指导意义。

关键词：阶段嗣后充填；逐段优化；采场结构参数；数值模拟；稳定性评价

中图分类号：TD853             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)07-2679-07

Segmented optimal design and numerical analysis on stope for heavy deposit using stage backfilling method

DONG Lu¹, YANG Zhiqiang^{1, 2}, GAO Qian¹, LI Maohui¹, WANG Youtuan¹

(1. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mine, Ministry of Education,

University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. Jinchuan Group Co. Ltd., Jinchang 737100, China)

Abstract: Segmented optimal design method was introduced to address the limitations of heavy deposit stage backfilling design used a single, determinate the type and parameters of stope structure. Taking the south of Sijiaying Iron Mine in Luanxian of Hebei province as engineering backgrounds, the differences between production conditions and rock solid were taken into account, and the corresponding interval-type, diagonal and point-pillar of stope structure types were selected. Stage production order was used from the first stage. Taking mining costs as the optimization goal, security coefficient of stope, ground movement and ore loss rate as the constraint conditions, patterns and stope structure optimization parameters of all stages and stage backfill mining design optimization model of stop were gained by the three-dimensional numerical simulation analysis software FLAC^3D. Research and evaluation of ground movement, stress and surrounding rock in mining design of stope stability were studied by the numerical analysis of best practices. The results show that the segmented optimal design is the key to achieving safety and high efficiency mining in thick and large poverty deposit technology, which has certain implications for the future.

Key words：stage backfilling; stage-by-stage optimal; structural parameters of stope; numerical simulation; estimation of stability

随着充填新工艺、新材料和新方法的研究和应用成果层出不穷，充填采矿技术与理论越来越受到人们的重视。目前，45%的有色金属大中型地下矿山以及37%黄金中小型地下矿山均采用充填采矿法。作为应用较广泛的采矿手段，阶段嗣后充填法不仅能最大限度地回采各种复杂工程地质条件下的难采深部矿体，提高盘区生产能力，而且可以扩大尾矿等废弃物用量，保护矿山环境，降低采矿成本，实现矿区经济效益的提升^[1-4]。但嗣后充填法阶段高度较高、采场面积较大，开挖对围岩稳定性和地表岩移影响较大^[5-7]，因此，如何合理设计采场单元和结构参数，实现高效率低贫损回采井下矿产资源是一个复杂的技术难题。针对不同的回采条件和矿岩稳固性在空间上的复杂多变，国内外在矿产资源开采时，常常发现单一的采矿方法达不到良好的效果^[8-12]。一方面，采用相同的采场结构型式和设计参数，对较稳固的矿岩可能偏于保守，限制了充填采矿生产能力；另一方面，对于稳定性较差和水文条件复杂的矿岩，采矿活动必将改变地层的渗透特性，势必增大采场涌水和突水灾害的危险性：因此，需要多种采场模式结合开采。本文以河北省滦县司家营铁矿南区为工程背景，提出根据不同回采阶段矿岩稳固条件的差异性，采用3种不同的采场结构型式。在此基础上，通过数值模拟手段逐段优化相应的采场结构参数，揭示围岩应力、地表变形规律及采场的稳定性分析，以便为后期采矿提供安全保障。

1  工程概况

司家营铁矿位于河北省滦县境内，目前已探明铁矿石储量为14.5亿t，是我国东部地区少见的特大型铁矿床，分南、北2区。司家营铁矿南区是1座平均厚度达207 m，倾角为30°~60°，埋深0~500 m，品位仅为30.9%的厚大贫铁矿，矿区上部赋存100~120 m的第4系含水层，地表有需要保护的村庄和农田。为了安全、高效、环保的开发和利用矿石资源，河北钢铁集团矿业公司采用2 000万t/a超大生产能力的上向阶段嗣后充填采矿法，即将矿体自下向上划分为3个100 m高的出矿阶段，再采用分段凿岩和嗣后充填进行4步回采。1步先采矿房，2步胶结充填，3步再采矿柱，4步尾砂充填。该采矿方法具有工艺简单、采准工程量少、矿石回采率高等优点。图1所示为矿区阶段开采顺序。

图1  阶段开采顺序

Fig. 1  Stepwise mining sequence

2  逐段优化设计方法

2.1  采场结构型式选择

目前，司家营铁矿南区下部-450~-150 m采矿设计采用单一和确定的采场结构型式和设计参数。其设计方法不能适应厚大矿床复杂的工程地质和水文地质条件，具有局限性。考虑矿区阶段围岩稳固条件存在差异性，提出了点柱式、对角式和间隔式3种采场结构型式^[13-16]相结合的开采设计方案。间隔式回采适宜稳固类矿岩开采，盘区划分为矿房和矿柱，采用隔一采一的回采顺序，能满足超大生产能力和大型出矿设备的要求；对角式回采盘区沿矿体走向布置2个矿块，对角开采，此采矿模式可以降低一步大跨度开采造成的采场冒落、塌方以及充填体破坏剥落的风险；对于埋藏较浅、稳固性较差的矿岩，控制地表岩层移动是首要考虑问题，因此，留设一定数量的永久性矿柱是维护采场稳定性和控制地表岩移的必要手段，但是点柱的留设势必造成回采率下降，故要通过合理优化采场结构参数来实现安全开采与经济效益的统一。

矿床勘探资料显示，矿区-450 m阶段埋藏最深，围岩地质力学分级(RMR)为70，稳固性最好；-250 m阶段岩体RMR为55，属于Ⅲ类围岩；而-150 m阶段矿岩风化严重，且赋存于第4系含水层下，稳定性最差。基于上述3种回采模式特点，南区各阶段采场结构类型依次为间隔式→对角式→点柱式。

2.2  采场结构参数选择

分段优化方法不仅能够选择与矿岩稳定条件相适应的采场结构型式，而且可以在满足安全高效采矿的前提下优化采场参数。采场参数不仅影响采场的稳定性，而且直接关系到矿区的经济效益。

图2  3种采场结构示意图

Fig. 2  Diagram of 3 kinds of stop structure

对于不同的采场型式和回采工艺，采矿设计参数也不尽相同。首先从-450 m阶段开始，考虑本阶段采用具有超大生产能力的隔一采一的回采顺序，同时兼顾技术和经济2个方面，于是，间柱宽度、矿房(矿柱)宽度、顶板厚度、1步矿房胶结充填体强度和顶板充填体强度是该阶段采矿设计参数。

以-450 m阶段优化设计参数为基础，开展-350 m阶段参数优化设计；根据-450 m和-350 m阶段优化结果，进行-250 m阶段的采矿优化设计，合理选择与回采顺序相适应的矿房宽度、矿柱宽度、顶板厚度、1步矿房胶结充填体强度和顶板充填体强度5个参数。其中，-250 m阶段增加了点柱尺寸的优化设计。综合考虑采场生产能力、盘区无轨设备作业的安全性、充填体自立性等要求，以便构成稳固的框架结构，各参数的取值范围如表1所示。

表1  采场结构参数取值

Table 1  Value of stop structural parameters

3  分段优化实施步骤

3.1  采场建模

为模拟采矿过程中覆岩与采场稳定性受采动影响的过程，以各阶段地质平面图、横剖面图以及采场盘区设计尺寸为建模的基础资料。根据各阶段剖面的工程地质、岩性、矿体的分布，建立采场及其影响区域的三维模型。

采场盘区沿矿体走向布置，长120 m。盘区划分为矿房和矿柱，矿体倾角为46°。矿体影响范围上部取至地表25 m，下侧由矿体底板最低点向下90 m，前、后、左、右4个面由矿体边缘向外200 m，上边界施加重力荷载。

基于采场结构参数的正交设计和力学参数，如表2所示。采用FLAC^3D软件依次建立各阶段莫尔-库仑弹性模型进行数值分析，获得各阶段正交方案采场岩移参数。

3.2  优化模型确定

采用统计回归分析^[17]和参数拟合方法，得到地表岩移参数与采场结构参数之间的函数关系。以阶段盘区采矿经济效益为优化目标，以采场稳定性、岩移参数和矿石损失率为约束条件，建立并求解各阶段的采矿优化模型(式(1)~(6))：

                 (1)

              (2)

              (3)

             (4)

            (5)

       (6)

式中：x_j(j=1, …, 6)为采场优化参数；i为地表倾斜值；为地表水平应变；K为地表曲率；为矿石损失率；为损失矿石量；V为盘区矿石总量；F_Sn为4步回采的安全系数。

3.3  最优方案确定

基于上述优化模型，从首采阶段开始按照开采顺序逐阶段依次求解，最终获得各阶段的采场优化设计参数，从而完成整个矿床的多阶段嗣后充填法采矿设计。表3所示为优化结果与评价指标。

4  基于优化方案的模拟结果分析

4.1  地表岩移分析

根据优化的采场结构参数建立矿体三维数值模型如图3所示。该模型长×宽×高为207 m×300 m×380 m，划分的单元数为110 841。采场影响区域由上到下依次为第4系、强风化带、弱风化带以及深部围岩。

按照实际开采顺序进行回采充填后，选择地表最大沉降点垂直于矿体走向剖面如图4所示。由图4可知：地表最大沉降中心随开采步向下盘方向移动，最大倾斜为1.121 mm/m，最大曲率为0.022 1 /km，最大水平变形为0.715 3 mm/m，远远小于地表岩移控制标准。因此，本次设计参数可以有效控制地表岩移。

图5所示为各阶段矿体回采结束后地表沉降曲线。从图5可见：随着3个阶段开采充填的推进，地表沉降量逐渐变大；前2个阶段开采对地表影响不大，-250 m阶段矿房开采充填后，地表沉降急剧变化，导致2步矿柱开采充填后，最大沉降迅速增大到143.3 mm，沉降中心基本没变。

4.2  应力分析

图6所示为模型在自重和构造应力下达到初始平衡后进行开挖、充填的计算应力和塑性区分布图，图7所示为塑形区域。从图6和图7可以看出：

1) 当-450 m阶段开挖并充填以后，采场上方的垂直应力向两侧转移，采场两侧产生应力集中。随着-350 m和-250 m阶段的依次开挖充填，3个阶段应力依次增大，最大主应力由两侧传递至矿体底部和顶部围岩，靠近上、下盘围岩的矿体底部角点以及采场顶部角点成了应力集中区。

2) 在整个开采充填阶段内，随着施工步的推进，围岩的应力分布呈周期性变化。矿房开挖后，使得原来作为支撑作用的矿体被开挖出来，导致矿柱应力增大，但充填后开挖面周围应力集中又有所减小。从图6可见：分步开采时，充填体不仅起到支护作用^[18-19]，更主要是具有应力吸收作用，降低了采场围岩的应力集中，相对提高了围岩自身的强度和承载能力，起到了稳定采场的作用。

表2  介质物理力学参数

Table 2  Physical-mechanical parameters of materials

表3  采场参数分段优化结果

Table 3  Data of stop parameters for partition optimization

图3  三维数值计算模型

Fig. 3  Model of three-dimensional numerical

图4  地表最大沉降云图

Fig. 4  Image of the maximum surface settlement

图5  各阶段矿体回采结束后地表沉降曲线

Fig. 5  Curves of surface subsidence after ore body mining

3) 在完全开挖的过程中，应力集中区出现了剪切破坏，而尾砂充填体出现大面积的拉伸破坏(见图7(a))。原因在于尾砂内聚力低，不能起到原有矿体的支撑作用。同时采场人工顶板完全处于弹性状态未出现破坏，这足以说明本次顶板充填强度设计是合理的。但由于-150 m以上风化层强度较低，在采矿扰动下，呈现不稳定状态。

图6  采场围岩应力图

Fig. 6  Stress fields of surrounding rock mass

图7  塑形区域

Fig. 7  Diagrams of plasticity region

4) 在图7(b)所示点柱塑形区分布阶段，点柱仅在上端及四周有零星的剪切破坏，没有发现贯通的塑性区，点柱是安全的。

4.3  采场稳定性分析

基于优化模型计算阶段嗣后充填回采过程的采场安全系数，计算结果如表4所示。从表4可以看出：前2个阶段安全系数均大于1.10，采场稳定，第3阶段围岩质量较差，埋深较浅，诱导开挖后采场处于临界稳定状态。胶结充填体的安全性明显高于尾砂充填，这与应力分析结果基本相符。

相对间隔和对角回采模式，矿柱开采后安全系数明显下降，-250 m阶段预留点柱作为支撑系统，安全系数变化幅度减小，增加了采场安全性。

表4  分段回采过程安全系数计算结果

Table 4  Security coefficient of stepwise mining

5  结论

1) 针对河北滦县司家营铁矿南区阶段嗣后充填法的实际情况，提出了逐段优化设计方法与实施步骤。采用此方法不仅能够选择与阶段矿岩稳定条件相适应的采场结构型式，而且可以在满足采场稳定要求、控制地表岩移的前提下给出优化设计参数，实现相邻阶段优化设计的协调和统一，最大限度地回收贫矿资源，解决了厚大贫铁矿床的安全高效开采以及固体废弃物的综合利用存在的问题，为其他矿山提供借鉴和参考。

2) 矿体开采导致采场附近的应力发生变化，地表呈现椭圆沉降区且最大值向下盘方向移动，采场顶、底部靠近上、下盘的角点均有不同程度的应力集中， 而采场充填后，由于充填体的应力吸收作用，应力集中程度减小。

3) -250 m阶段存在埋深浅、上部岩层风化严重，强度低等特征，在留设一定点柱的前提下开采矿体能够将应力集中局限在一定的围岩范围内，提高了采场的整体稳定性。

4) 随着矿体的逐步开挖，采场塑性区面积依次增大，稳定性依次降低。因此，在实际采矿过程中应采用有效地现场监测工具对回采过程进行动态监测并对顶部岩层采用长锚索进行加固处理，以便保障生产安全进行。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2014-10-18；修回日期：2014-12-20

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2010CB731501)；河北省钢铁产业技术升级专项资金资助项目(SJGS-KJ-12-03) (Project(2010CB731501) supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China; Project(SJGS-KJ-12-03) supported by Hebei Iron and Steel Industry Technical Upgrade Special Funds)

通信作者：高谦，博士生导师，教授，从事岩石力学和充填采矿工程的研究；E-mail: gaoqian@ces.ustb.edu.cn