大红山铜矿地下开采对3^#大沟废石场的影响

第32卷第5期2016年10月
昆明冶金高等专科学校学报
Journal of Kunming Metallurgy College
Yol.32 No.5
Oct. 2016
doi：10. 3969/j.issn.1009 -0479.2016.05. 005
大红山铜矿地下开采对3#大沟废石场的影响
李在利\卢萍2,杨淨3
(1.玉溪矿业有限公司大红山铜矿，玉溪653405; 2.昆明冶金高等专科学校矿业学院，昆明650033;
3.昆明有色冶金设计研究院股份公司，昆明650051)
摘要：地下点柱充填采矿法改变了上覆岩层的原有应力状态，可能会引起地表产生一定变形和岩层移动，进而 影响到地表3#大沟废石场的安全使用与保护问题。

为了确保地表废石场的稳定，采用有限差分程序FLAC3D模 拟地下矿体开采对地表废石场的影响，通过模拟结果表明：岩层移动是一个自下而上传递的动态过程，地下开 采对地表废石场产生的下沉变形很小，仅为3.8 cm,同时地表未产生塑性扰动区，说明3#大沟废石场是处于安全稳定的状态，研究结果为地表3#大沟废石场的设计和安全建设提供了指导性的依据。

关键词：地下开采；废石场；稳定性；地表；点矿柱
中图分类号：TD803 文献标志码：A文章编号：1009 -0479 - (2016)05 -0022 -06
Influence of Underground Mining of Copper Mine
on 3# Major Groove Dump in Dahongshan
LI Zaili1，LU Ping2, YANG Ze3
(1. Yuxi Mining Co. ,Ltd.Dahongshan Copper Mine.,Yuxi Yunnan653405, China
2.Faculty of Mining Engineering ,Kunming Metallurgy College,Kunming650033, China
3.Kunming Engineering &Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. ,L td.，Kunming650051, China) Abstract：The filling mining method of the underground point column changes the original stress state of overlying strata,which may lead to the surface distortion and movement of rock layer.Then,safe use and protection problems of3#large ditch waste rock field will be affected.In order to ensure the stability of the surface waste rockfill,the finite difference program FLAC3D was used to simulate the effect of under­ground orebody mining on the surface waste rockfill.The simulation results show that the movement of strata is a dynamic process from bottom to top,and the subsidence deformation of the surface waste rock
is only 3.8 cm,and the surface does not produce plastic disturbance zone,which illustrates 3#ditch waste rock field is in a safe and stable state.The results provide guidance for the design and construction
of3#large ditch waste rock field.
Key words：underground mining；dump；stability;surface;point pillar
1废石场特征概述
大红山铜矿位于云南省玉溪市新平县嘎洒镇，是玉溪矿业有限公司目前主要的铜产业基地，也是云 南省目前最大的铜精矿产业基地。

其已新建的废石场场区位于老厂河东侧3#大沟内，大沟平面上总体 呈“Y”型，由东侧2条冲沟汇集为1条主沟，总体冲沟方向为东一西向，在距老厂河240 m处转为北 西一南东向。

冲沟总体断面呈“V”字型，冲刷强烈，沟心宽3〜5m，沟谷总长超过1.5 km，其间被1收稿日期：2016 -06 -22
作者简介：李在利（1982 -)，男，云南宣威人，工程师，工学学士，主要从事采矿工程设计及地压方面的研究
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李在利，卢萍，杨泽：大红山铜矿地下开釆对3#大沟废石场的影响
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条矿山道路切割为东西2个部分。

拟建废石堆场占用沟谷西侧部分，即占用Y 主沟及2条岔沟部分，长 度约为550 m ，纵坡平均坡降约为22%，约为12°，其中从沟口往上游方向250 ra 左右范围内坡降稍缓。

废石场拟占用沟谷，总体上两岸.山体坡度较陡，北侧一般为35 ~40°，南侧一般为30 ~ 35°，南侧局部 稍缓为2〇〜25°;尾部为2条岔沟挟持一小山脊，该小山脊坡度较陡，约为39°。

3#大沟度石场利用沟谷、荒坡布置，未占用良田 及耕地，避开了城镇生活区e 3#冲沟总体断面呈“V ” 字型，场地西低东高，标高介于690〜825m ,库容地 形条件好。

矿区风向以西及南西风为主f 3#大沟废石 ±为位于矿区北侧，布置在全年主导风向的下风侧，场 址周边无生活及生产水源，3#大沟废石场布g 详见 图U
2 3#废石场与地下矿相互关系
图1 3#大沟废石场场地位置图
Fig.l Location map of 3# major groove dump site
3#大沟废石场坐落在太红山西部矿段勘探线
AW 6 (B 96) ~A 222 (B l 2〇)之间，废石场正下方压矿。

废石场基底面距矿体295 ~330 m 。

主要矿体—
点柱 出 I
出矿联道
"T T T l II I IIII I I I I I I I I I I 、
-r 1! II I i I I . ： ； ： ； ： . ： . !
雕矿石溜井
为13、12两层铜矿体，呈缓倾斜产出，倾角20°左右 ，废石场正下方矿体连夹层厚度共为36〜57 m ,该处 矿体比较厚、根据西矿段设计规划，采用点柱式上向 分层充±真采矿法采矿，阶段高度200 m ，采K 高度1〇〇 :取.，分段:高度.2〇111,分_:霞廣3.；3 111;沿走向长2〇0:111.划分为一个盘区，一个盘S ：划分为4个采场，采场长 50 m ，宽度为矿体水平淳度；采场之间设间柱，间柱 宽度4 m ;采场内留设点柱，点柱面积按与所支撑顶 板面积的设置比例为1:9,点柱规格为4 r a x 6m ，点 柱沿走向间距I 6 m ，沿倾向间距I 2 m (图2)，可视 实际情况进行调整。

为确保安全有效地进行“3下"开采，除了在采 场之间留设间柱外，还在矿房内系统留设点柱^■每个 采场有2排点柱；分段高10 m ，含3个分层5分层高 3. 3 用浅眼凿岩台车打眼落矿，4 m 3铲运机出矿，采场出矿完毕后进行废石和尾砂充填，第一次充填高 度为2. 7m ，保留0.6 m 的空顶，向上每层充填3. 3
m ,均保留0. 6 m 的空顶f ，每层尾砂充填的层面都用
胃（)
灰砂比为1: 4的胶结尾砂充填，厚度0. 6 ni _.。

这样的 Fig.2 " StDpe layout 〇mit:m>
设置，除了保持采场顸板的稳定外，更有利于保护地表建构筑物和设施的安全6与此相邻的在F 3断层 以东大红山铜矿首采区（本区）B 进行了 1〇多年的成功开采，地表未出现大的移动和变形。

深部矿岩 体物理力学参数详见表1。

r
'權
充填隔墙
請干线
表
1岩体物理力学参数取值表
Tab. 1 Values of mechanical parameters data of rock and soil
岩性
密度pZ (g • cnT 3 )钪拉強廩ov /t t f e
变形模量fs/CPa
粘聚力f/MPs 内摩攙角#M 。

)
地表盖层
2.40. 9235 1.33
3.400. 23上盘
2.9 1.1039 1.537.740. 29矿体
3. 1 1.0048 1.43
4.000.27下盘
2.8 2.0040
2.234. 200.31
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3地下开采对3#大沟废石场影响的数值模拟分析
3.1计算模型的建立
根据中南大学的地应力测量结果和“大红山地压
活动规律”课题研究的研究报告，大红山地区的地应 力场情况为：最大主应力方向218° (近南北方向），此方向的侧压力系数为1. 3;最小主应力方向为128°，此方向的侧压力系数为〇. 65〜0. 75;中间主应力近似 为铅垂方向，其数值大小约等于岩体自重。

为了满足计算需要和保证计算精度，本次计算 采用的几何模型尺寸尽可能地逼近地表及地层实际 模型尺寸。

模型y 方向为矿体走向方向，长度1800
m ;模型^方向垂直矿体走向方向，长度2 000 m ;模型z 方向为竖直方向，模型底部标高-200 m ，顶 部最高标高l 〇〇6m ，模型最高高度1206 m 。

采用莫
尔-库伦弹塑性本构模型，模型共划分661 640个单
元体，687 740个节点，最终生成的网格和建好的模型如图3所示。

计算域边界先施加自重应力场和构造应力场，然后采取位移约束。

由于采动影响范围有限，在离采 场较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为〇。

因此，计算域边界采取位移约束，即模 型底部所有节点采用I 、y 、Z 方向约束，模型X 方向的两端采用I 方向约束，模型y 方向的两端采用:r 方向约束，模型顶部为自由边界。

3.2留矿柱不充填对地下开采及废石场稳定性影响分析
从图4, 5剖面、图6地表的塑性区分布图以及图7地表下沉值可知：
1)矿体回采后，形成一定的开采空间，采场上方覆岩压力被空区隔绝后，通过应力平衡拱向四周 矿柱及采场两帮转移、集中，悬挂的顶板上覆岩层主要靠矿柱、顶板上方的拱形压缩区及采场两帮岩体 共同支撑，这样使得整个采场矿柱均出现了塑性区（图4、5) 6地表塑性区是因为地下开采形成采空区 引起上覆岩层向采空区移动，造成地表下沉变形而产生的塑性区。

图3三维数值模拟计算模型
Fig.3 Three-dimensional finite-difference
method calculation model
■弹性区
■剪切塑性区
图例说明□拉伸塑性区
Fig.4 The plastic zone distribution of the profile A216■弹性区 ■剪切塑性区
Fig.5 The plastic zone distribution of the profile A220
2)从图5剖面塑性区分布云图中可以看出：在A 220线附近，地下开采造成顶板产生的塑性区高度 约为212 m ，高度很大，塑性区顶部距地表仅剩52. 5 m 的距离。

虽然地下开采产生的塑性区未与地表塑性 区发生贯通，但是地表在A
220线附近还是产生了连片塑性区，造成地表废石场基底面产生很大的扰动，
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A222(B120)A220(B112)A218(B104)A216(B96)
这对废石场和老厂河稳定较为不利，容易诱发边 坡滑坡；如果老厂河河水通过张开裂隙贯通到井 下，对井下人员的作业安全和生产也会造成很不 利的影响。

因此，如果井下不充填，地表废石场 会有较大风险。

3)从地表位移变形图7可以看出：地表 最大下沉位移值为14 c m 。

结合地表塑性区分 布云图6,可以分析得出：地下开采对废石 场、措施竖井和老厂河也产生了较大程度的 扰动影响，这些工程所在的区域产生了 8〜14
cm 的下沉变形，废石场、措施竖井和老厂河
对下沉变形较为敏感，如果地下采空区不及 时充填，会对废石场及地表工程设施产生很 大的影响。

3.3 留矿柱充填对地下开采及废石场稳定性
影响分析
大红山铜矿西部矿段采用点柱式上向分层充
填采矿法，边采边充，回采作业与充填作业交替进行，空区暴露时间短，这样使采空区及时得到支撑，限制 围岩和矿柱变形的发展，减小滞后充填产生的顶板压力，保证了工作面的安全以及降低地表的下沉程度。

A214A212
Fig.6图6
留矿柱不充填，矿房里的矿体 开挖后地表塑性区分布云图
Pillar reserved and not filling, the plastic- zone distribution cloud chart of surface after
the excavation of room orebody
Contour of Z -Displacement Magfac=0.000e+000
I
-1.4783e-001to-1.4000e-001 -1.4000e-001 to -1.2000e-001
■ -1.2000e-001 to -l.OOOOe-OOl I -1.0000e-001 to -8.0000e-002 | -8.0000e-002 to -6.0000e-002 f -6.0000e-002 to -4.0000e-002 ~ -4.0000e-002 to -2.0000e-002
_ -2.0000e-002 to 0.0000e+000
H0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval^ 2.0e-002
A222(B120)
A220(B112)
A218(B104)A216(B96)A214A212图7
留矿柱不充填，矿房里的矿体开挖后地表下沉位移变形云图
Fig.7 Pillar reserved and not filling, surface subsidence displacement cloud
chart of surface after the excavation of room
从图8—10地表的塑性区分布以及图11地表下沉值可以看出：
1)地下开采产生的塑性区在顶板上只是零星分布，且塑性区距离地表很远，塑性区未贯通到地 表，而且地表也并未出现塑性区，说明矿体开挖及时充填后并未对上部3#废石场及其他地表工程设施 产生不利的影响，也未对地表产生大的扰动影响6留设矿柱，采空区及时充填后，地表整体是处于稳定
状态。

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图8
A216号剖面塑性区分布云图
图9
A218号剖面塑性区分布云图
Fig.8 The plastic zone distribution of the profile A216
Fig.9 The plastic zone distribution of the profile A218
2)采爷区及时充填后，釆场顶板坫木[: 未出现塑性区，塑件区只是岑足分布，对顶板 稳定忭影响不大。

矿房允埙订，剛性K 主贤集 中在矿房间柱上，说明尾砂充填体对顶板的直 接支撑抗力是很有限的，大部分地压仍要靠矿 柱H 身支撑。

虽然尾砂充填体承载能力有限， 似它消除r 空K , 4阻止顶板变形破坏的发展， 消除顶板大面积冒落的可能性，避免灾难性的 地压活动对缓和和抑制地丨丨(并改善了围岩及矿 柱的府力状态，提卨其支承能力起到积极的 作用。

图10
留矿柱，矿房里的矿体开挖后及时充填地表塑性区分布云图
3)从地表位移变形图8可以看出：地表M
大下沉位移值均为3. 8 cm ，下沉值很小，对废
Fig.10 Pillar reserved, surface subsidence displacem
ent cloud chart of surface after the exc
avation of room orebody
石场基底面+会产影响。

结合地表塑性K 分介K (图10)，可以分析得出：空K 及吋充填后，极大提 高了采场围岩的稳记性和降低了地表的下沉程度，说明只有留设矿柱，且采空区及时充填后.，3#废石场 及J 1；它地及丨:栉设施的安全才有保障。

Contour of Z -Displacement Magfac = 0.000e+000
-3.7909e-002 to -3.5000e-002 -3.5000e-002 to -3.0000e-002
-3.0000e-002 to -2.5000e-002 -2.5000e-002 to -1.5000e-002 -2.0000e-002 to -1.5000e-002 -1.5000e-002 to -1.0000e-002 -1.0000e-002 to -5.0000e-003 -5.0000e-003 to 0.0000e+000 B0.0000e+000 to 0.0000e+000 Interval = 5.0e-003
A222(B120)
A220(B112)
A218(B104)A216(B96)图1
1留矿柱，矿房里的矿体开挖后及时充填地表下沉位移变形云图
Fig.ll Pillar reserved, surface subsidence displacement cloud chart of surface after the
excavation of room orebody and filling in time
第5期李在利，卢萍，杨泽：大红山铜矿地下开采对3#大沟废石场的影响27
4结论
综合以上分析，可得到如下结论：
1)采后不充填，虽然地下开采产生的塑性区未与地表塑性区发生贯通，但是地表在A220线附近 还是产生了连片塑性区，对废石场基底面和老厂河隔水层产生很大的扰动影响，这对废石场和老厂河稳
定不利。

2)如果地下开采不及时充填，3#大沟废石场和其他地表工程设施的安全会有较大风险，因此采空 区必须及时充填，这样3#废石场及其他地表工程设施的安全才有保障。

3)采空区及时充填后，由于充填体对顶板的抑制作用，未对地表产生很大的扰动影响，地表整体 是处于稳定状态，所以留设矿柱及时充填后地下开采不会对3#废石场和地表其它工程设施造成影响。

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矿区地处昆阳古裂谷中段，在裂谷早中期阶段，在特定地质条件下通过火山喷流沉积形成的同生含矿
层，经成矿作用及后期地质改造作用，整个落雪组白云岩几乎全被矿化，形成汤丹铜矿床的雏形。

随后在
漫长的地质历史时期中，受构造运动、变质作用及火山岩浆活动等影响，部分岩石发生蚀变（蚀变程度深，
岩石颜色为灰白色、黄白色，未蚀变的岩石颜色为青灰色），同时产生含矿的热液对既成层状铜矿中的矿
物质加以改造:一方面沿节理、裂隙贫化或叠加了层状矿;另一方面沿断层的运移并重新沉积于有利的岩
层中的有利构造部位，形成层状、脉状不连续、断续分布的富矿体。

因此，汤丹铜矿床属于沉积一变质一改造的铜矿床。

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