金厂河铅锌矿高阶段宽条带采场稳定性分析

刘顺斌，邓 柯，吴 东

(1.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100；3.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

1 矿体顶底板稳固性评价

金厂河铅锌铁矿为隐伏矿床，位于地表以下261.20～900.11 m，平均 580.66 m，均为隐伏矿体。核桃坪组中段一层(∈3h2-1)是矿区的主要控矿层位，顶板主要为大理岩，岩石新鲜微风化，属于稳固性岩体；底板岩性以矽卡岩为主，埋藏深，新鲜坚硬，基本稳固偏上。

2 采场结构尺寸与采矿方法工艺

金厂河铅锌铁矿主要以透镜状、似层状、层状为主，成群缓倾产出，在空间分布上有由上往下的Pb、Zn带，Cu、Pb、Zn带，Cu-mFe、mFe带垂直分带特征，即上部为铅锌矿，中部过渡为铜矿、铜锌矿，下部为铁矿。在横向上具有沿倾向延伸大、沿走向延伸小的特点。矿体四周呈波状起伏缓倾斜层状产出，走向近南北，平面呈不规则状，整体倾向南东，倾角4～20°，平均8°。矿体南北走向长为60～200 m，平均 150 m，东西宽约为 1 100 m。矿体厚度不等，绝大部分厚度> 20 m，东侧最厚可达50～60 m，厚度变化系数105.24%，属厚度较稳定矿体。

图1 采场典型剖面(南北向剖面)Fig.1 Typical profile of stope(north-south section)

结合矿体开采技术条件，采用装备水平较高、采场生产能力大、生产效率高的大直径深孔侧向崩矿嗣后充填采矿法。采场(矿块)沿走向布置，采场长度为矿体走向长度，矿体沿走向长度一般不超过 150 m，矿体在倾向方向上划分多个矿房条带和矿柱条带,按两步骤回采，矿房和矿柱沿着矿体倾斜方向间隔布置，一步骤回采矿柱，二步骤回采矿房，矿房与矿柱(条带)宽度均为 15 m，条带回采阶段高度为矿体实际厚度，为19～47 m；铅锌铜矿体，产状稳定，矿体为单层，厚大，个别地段分支为2层(图1)，围岩中等稳固，矿体稳固。

回采过程采用隔一采一两步骤开采的方式，首先开采宽度为 15 m 的矿柱(一步骤)，开采结束后进行胶结充填。一步骤矿柱回采结束后，胶结充填灰砂比平均为1∶8，充填料浆浓度为76%～78%。 充填体养护结束后，再开采相邻宽度为 15 m 的矿房(二步骤)，此时矿房两侧均为矿柱胶结充填体，二步骤矿房开采结束后进行非胶结充填。二步骤回采矿房结束后，胶结充填灰砂比平均为1∶30，充填料浆浓度为72%～74%。并将上部的采切掘进废石经上部充填回风天井倒入采空区内，充填管道经充填回风天井(或充填钻孔)进入采空区内，用添加3%的水泥分级尾砂充填料浆进行充填。采场具体布置详见图2。

图2 采场布置示意Fig.2 Schematic diagram of stope layout

基建采场设置3个(图2)，分别为A7-1、B1-3和B1-5。矿山投产后，首先开采这3个采场，开采完成之后，首先由B1-5采场开始向西推进，再由A7-1采场向B1-4推进，最后从A6-2采场向东推进。

矿体顶板围岩中等稳固，为保证采场安全及控制顶板垮落贫化，在切顶层凿岩硐室对上盘围岩进行锚网加固支护，凿岩硐室尺寸为：4.5 m(宽度)×4 m(高度)。采场回采结束后及时进行充填，充填务必接顶。

前述，为了控制地压，确保回采过程安全，铅锌铜矿体留设了3条临时矿柱(图2)。这3条临时矿柱，需待所有采场回采结束后才能进行回采。其回采顺序为自西向东逐条回采，依次回采B2-3、B1-6和B1-2临时矿柱。临时矿柱的回采，必须执行采区强掘、强出、强充三强措施，缩短回采时间和充填时间[1]。

根据现场工程地质条件，岩体稳固性和分级，结合室内岩石力学试验，折减得到最终的岩体物理力学参数(表1)。

表1 岩体物理力学参数取值

3 地下开采对围岩稳定性影响的FLAC3D数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型，最终生成的网格和建好的模型如图1所示。金厂河区域范围内水平最大侧压系数λ=1.3，最小侧压系数λ=0.85。

图3 三维数值模拟计算模型Fig.3 Three-dimensional numerical simulation calculation model

3.2 采场围岩稳定性分析

矿体开挖形成采空区后，应力平衡状态被打破，造成周边围岩个别地方应力集中。采场稳定性的维护主要依靠围岩及充填体[2,4]。鉴于文章篇幅的限制，本文只列出了2个开挖阶段的稳定性分析结果，其他开挖阶段模拟结果与这2个阶段基本类似。

1)开挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2号采场围岩稳定性分析。一步骤A7-2、A8-2、B1-7、B2-2、B2-4号采场开挖充填后，继续开挖二步骤A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2号采场时，由模拟结果图4和图5可以看出：采场顶板基本未出现塑性区，顶板岩层基本处于稳定状态，采场两侧围岩出现了少量宽度仅为 8 m 左右的塑性区。预留的B1-2、B1-5、B2-3号采场临时保安矿柱和相邻采场A9-2、A10-1、A11-1的矿体处于较高应力塑性状态。开挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2(19-21-32-34-36)号采场未对地表和周边围岩产生大的扰动影响，此时地表和采场周边围岩整体处于稳定状态。

A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2号采场矿体开挖后，由模拟结果(图6)可以看出：采场两侧围岩所承受的压应力为12～16.8 MPa，采场顶板所承受的压应力为6～12 MPa。

图4 开挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2号采场，纵向剖面塑性区分布云图Fig.4 After excavation of A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2 stope, distribution nephogram of plastic zone in longitudinal section

图5 典型剖面采场塑性区分布云图Fig.5 Distribution nephogram of typical profile stope plastic zone

图6 采场围岩最大压应力分布云图Fig.6 The nephogram of the maximum compressive stress distribution of stope surrounding rock

图7 开挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、 A12-1号采场，纵向剖面塑性区分布云图Fig.7 After excavation of A9-2、B1-3、 A10-1、A11-1、A12-1 stope, distribution nephogram of plastic zone in longitudinal section

图8 典型剖面采场塑性区分布云图Fig.8 Distribution nephogram of typical profile stope plastic zone

图9 采场围岩最大压应力分布云图Fig.9 The nephogram of the maximum compressive stress distribution of stope surrounding rock

2)开挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1号采场围岩稳定性分析。二步骤:A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2号采场开挖充填后，继续开挖二步骤A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1号采场时，由模拟结果图7、8可以看出：采场顶板基本未出现塑性区，顶板岩层基本处于稳定状态；而采场两侧的围岩出现了数量较多塑性区的承压带，承压带塑性区宽度 16 m 左右(即空区周边塑性区岩柱宽度)，宽度较小。预留的B1-2、B1-5、B2-3号采场临时保安矿柱处于高应力塑性屈服状态。开挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1号采场矿体未对地表和周边围岩产生大的扰动影响，此时地表和采场周边围岩整体处于稳定状态。A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1号采场矿体开挖后，模拟结果如图9所示，可以看出：采场两侧围岩所承受的压应力为 12.0～17.3 MPa，采场顶板所承受的压应力为6～12 MPa。

4 结 论

通过以上FLAC3D数值模拟研究分析得出以下结论：

1)井下矿体两步骤回采，建议每个盘区最多有2个条带在爆破出矿，1个在充填，1个在养护，做好及时充填，减小空区顶板暴露面积。后期B1-2、B1-5、B2-3号临时保安矿柱的置换，充填体灰砂比必须提高至1∶4以上，而且必须添加碎石。

2)金厂河铅锌矿产状相对稳定、厚度大、倾角缓、东西倾斜长、南北倾向短并具有品位高的优势，因此采用大直径深孔侧向崩矿嗣后充填采矿方法很适合该产状特点，是安全、高效、成本低的采矿工艺，体现出安全与经济效益。