某金矿采空区影响下深部矿体回采顺序优化

王 昊，张 飞，郝勇浙

（内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古 包头 014000）

金属矿山地下开采活动中，矿体的开挖会打破岩体的原岩应力状态生成新的次生应力场[1]。而不同的开采顺序会使岩体表现出不同的应力分布状态，所以合理设计、调整矿体的回采顺序，可显著提高采场的稳定性[2]。国内外学者对优化矿体开采顺序做了大量的研究，其中，叶义成[3]等采用相似模拟实验方法，分析上横山矿前进式和后退式开采时围岩及地表应变变化规律，研究嗣后充填采矿法开采矿体时合理的回采顺序。由于传统的相似模拟实验会消耗大量的人力和物力，加之计算机技术的快速发展，数值模拟在地下矿山开采中的应用愈发广泛。梁胜增[4]等使用FLAC3D数值模拟软件，模拟优化了铜山铜矿30#矿体的回采顺序。胡建华[5]等基于岩体时变力学参数优化了高峰矿-150 m~200 m矿段开采顺序。张弛[6]等在数值模拟基础上，构建了矿体开采顺序优化的协同测度模型，综合技术、经济两种指标计算出各回采方案的协同度，以此来优化矿体的回采顺序。张德明[7]通过压力拱理论对数值模拟结果进行对比分析，得出了矿房按“品”字形布置时，回采过程中采场的压应力、拉应力和位移值远小于其他方案，在矿山推广使用后取得了良好的经济、社会效益。

实际上，矿山浅部资源的回采往往会遗留下大量不规则的采空区，这些空区的存在对深部矿体的赋存环境是有影响的，以往对浅部矿体开采扰动条件下矿体的回采顺序研究较少，为此，本文以内蒙某金矿13号矿脉为研究对象，使用FLAC3D数值模拟软件，分析浅部矿体开采扰动下深部矿体的应力分布规律，并研究最优的回采顺序。

1 工程概况与数值模型

1.1 工程概况

该金矿13号矿脉418中段以上矿体基本开采完毕，为残留的采空区。矿体倾向140°~204°，倾角45°~85°，厚度0.43m~8.36 m。据矿体赋存特征及开采技术条件，结合矿山目前采用的采矿方法，对于倾角大于30°的矿体，采用浅孔留矿法开采。矿块沿矿体走向布置，矿块长度为50 m，其中矿房44 m，顶柱4 m，间柱6 m，底柱6 m，宽度为矿体厚度。倾角小于30°的矿体，采用全面法开采。矿体顶底板围岩均为片麻岩，属于半坚硬～坚硬岩石，整体稳定性较好。

1.2 模型的建立

根据矿山13号脉的矿体赋存条件和采空区探测结果，矿体沿走向上的长度达到2 000m~3 000 m，若建立整个矿区的三维数值模型，要划分的网格数量太多，无法完成计算，因此选取107至163剖面线之间矿体作为本次计算的实验矿体，使用3DMINE建立矿脉和地表模型，导入RHINO后划分矿房并建立实体模型，最后通过GRIDDLE插件划分网格后导入FLAC3D中计算。如图1所示为建立的矿山实体模型，沿Z方向分为618、578、538、498、458、418和368七个中段，沿X方向上将各中段矿体划分为一系列的采场。其中418以上为已形成的采空区，368中段为待采矿体，从右至左划分为7个矿块。该模型整体沿X方向长度为700 m，沿Y方向长度为550 m，沿Z方向的高度为1 200 m左右，划分网格后有798 848个网格，600 437个节点。

图1 数值模型

1.3 岩体力学参数

根据矿山提供的岩石力学实验结果，经过强度折减处理后，得到了数值模拟所需的岩体强度参数，具体参数如表1所示。

表1 岩体力学参数表

2 矿山开采现状分析

矿山实际上回采418~618中段矿体时的顺序为阶段上采用自上而下分中段开采，中段内采用自远而近（自端部向竖井）后退式开采，由于模拟主要是分析浅部矿体开挖扰动对下部矿体的地压分布规律的影响，因此可适当简化开挖步骤，计算中采用了各中段分步回采的计算方式，即自上而下分步开采，每次开采一个中段内矿房。

浅部空区开采完毕后矿体的应力分布如图2所示，受上覆空区开挖影响，418中段下部未开采矿体出现应力升高区，应力集中范围分布在418 m~380 m中段矿体上，结合测线处的最大主应力变化曲线可知，靠近已采空区的矿体应力集中程度较大，随着矿体深度增加逐渐降低，矿体深度大于390 m之前应力变化明显，小于390 m之后应力变化曲线逐渐平缓，之后随着深度增加应力略微上升。说明上部空区开挖后的影响范围为390 m以上，为更加准确的分析影响范围内矿体的应力分布规律，选择390 m水平做横剖图，应力分布规律如图3所示。该区域内矿体上盘位置出现应力集中区，下盘位置出现应力降低区，应力异常区域分布在空区下方矿体附近，远离此范围内的围岩仍处于原岩应力状态。

图2 深部矿体应力分布规律（矿体走向）

图3 深部矿体应力分布规律（横剖面）

综上所述，受上覆空区开挖扰动影响，深部矿体出现应力异常区域，其中处于应力升高区的岩体中积累了大量的弹性能，若在此条件下进行深部矿体的开采活动，很有可能会发生冲击地压和诱发岩爆等后果。

3 深部矿体回采时序优化

3.1 深部矿体回采方案

深部矿体在上部采场开挖扰动下，应力分布错综复杂，增加了深部矿体的开采难度。针对这一问题，周科平[8]等提出了采矿环境再造理论，研究表明可通过一定的技术手段,改造矿体赋存的地质环境，以实现矿山的安全、高效生产。邓红卫[9]根据这一理论，在深部待采矿体与空区之间保留了一定厚度的隔离带，避免了在应力过高的区域开采矿体。综上所述，可充填418、458中段全部空区形成水平隔离层，以改善深部矿体的赋存环境。

深部开挖区域的矿体共划分为7个矿房，采矿方法为潜孔留矿法，共设计了四种回采方案，分别为后退连续式开采、后退间隔式开采、前进连续式开采和前进间隔式开采，具体开挖步骤如表2所示。

表2 深部矿体回采方案设计

3.2 结果分析

3.2.1 应力演变规律

最大主应力反应的是岩体受压的情况，过大的压应力是导致岩爆发生的主要原因。如图4（a）所示，四种方案的最大主应力都表现出逐步上升的趋势，最大压应力值分别为71.8 Mpa、69.8 Mpa、77 Mpa和79.2 Mpa，均已超过了岩体的抗压强度。其中方案三和方案四在第四步开挖之前最大主应力变化平稳，从第五步开挖之后最大主应力上升幅度急剧增加，这是由于方案三和方案四都采用隔一采一的回采顺序，而两个采场之中应力集中区往往出现在相邻采场之间的隔离矿柱以及矿柱与顶底板的拐角处，而这种回采顺序从空间上避免了各采场之间的相互影响，因此直到第五步开挖两采场之间的矿体时才出现最大主应力迅速上升的现象。方案一和方案二都在开挖到最后一步压应力达到最大值，方案二最大压应力虽然比方案一小，但在开挖第三步时压应力太大，地压管控困难，因此方案一更有利于采场矿压控制。

图4 应力时变曲线

最小主应力反应的是岩体中是否出现了拉应力，由于岩体抗压不抗拉的特点，拉应力容易导致岩体的破坏。方案1-4的拉应力变化规律各不相同，这是因为采场开挖过程中，矿体的厚度、倾角以及相邻采场开挖后产生的次生应力场都会影响拉应力的大小，因此拉应力值的变化没有明显的规律。但各方案的最大拉应力值分别为1.84 Mpa、1.85 Mpa、1.87 Mpa和1.80 Mpa，均没有超过围岩的抗拉强度，而且围岩的拉伸塑性破坏区范围较小，故四个方案均不会引起采场围岩的拉破坏。

3.2.2 位移演变规律

从位移变化规律（图5）来看，随着采场的不断推进，采空区暴露的面积和时间不断增大，导致采场位移值呈现出逐渐上升的趋势，最大位移值分别为7.8 cm、8.9 cm、8.4 cm和8.5 cm。研究结果表明，方案一采场围岩整体位移量最小，且采场最大位移值也是四个方案中最小的。故方案一更有利于采场围岩的变形控制。

图5 位移时变曲线

4 结论

（1）利用3DMine—rhino耦合建模技术建立矿体三维地质模型，模拟研究了浅部矿体开挖扰动下深部矿体应力分布规律，结果表明，390 m水平以上矿体受上覆采场开挖扰动影响较大，出现应力集中区和应力降低区，390 m水平矿体以下应力迅速衰减，逐渐恢复为原岩应力状态。

（2）基于采矿环境再造理论，充填418、458中段空区形成水平隔离层，可有效改善深部矿体的赋存环境，有利于实现深部矿体的安全开采。

（3）通过对比分析各方案回采过程中采场最大主应力、最小主应力、位移变化情况和回采完成后采场的破坏情况，认为方案一为最佳回采方案。