三鑫金铜矿深部中段顶柱回采稳定性分析

Ｋ＝３（１Ｅ－２ν）
（１）
力为 ０～２４ＭＰａ，最小水平主应力为 ０～１６ＭＰａ，垂直 主应力为 ０～１５．８ＭＰａ。此时模型可以近似代表矿 体在进行地下开采前的实际状态。
Ｇ＝２（１Ｅ＋ν）
（２）
经过折减后，得到的矿岩物理力学参数见表 １。
２．３ 地应力计算
对于深部地应力监测及分布规律的研究，常使用
线性回归的方法进行分析，得到最大水平主应力、最 小水平主 应 力 和 垂 直 主 应 力 随 深 度 变 化 的 规 律［８］。
２０１８年第 １０期 ／第 ３９卷
２ 有限元数值模拟
２．１ 模型建立 本次模拟以桃花嘴矿区矿体 －４２０～－５７０ｍ中
段的顶柱作为研究对图 １。
采 矿 工 程 ４３
图 ３ 最小水平主应力示意图
图 ４ 垂直主应力示意图
引言
顶柱残矿回采对提高矿产资源利用率、实现矿山 可持续发展具有重要意义。由于顶柱矿石作为滞后 开采资源，受到先前采动影响，开采技术条件极为复 杂，尤其是深部中段顶底柱回采时，回采条件受到较 大限 制，不 可 确 定 因 素 较 多，增 大 了 顶 柱 回 采 难 度 ［１－３］，为保证生产 的 安 全 性，顶 柱 回 采 的 稳 定 性 研 究受到广泛关注。对此，有部分学者做了不同程度的 研究。赵奎［４］采 用 有 限 元 数 值 模 拟 方 法，对 某 金 矿 残留顶柱回采稳定性进行了分析研究，结果表明：矿 脉采空区充填后对维护夹壁稳定性有重要作用，上部 中段比下部中段顶柱回采稳定性好，４６０ｍ及其以下 中段顶底柱回采前需采取充填或加大顶柱高度等措 施，采场顶柱留中间采两端的回采方案稳定性最好。 赵伏军等［５－６］根据山东新城金矿顶柱开采技术条件， 应用极限分析法导出了人工假顶最大变形量和水平 临界载荷计算式，并据此对新城金矿顶柱开采稳定性 进行了研究，提出要注意回采中最大水平应力的变化 及对采场稳定性的影响，尽量做到平行最大水平应力 布置进路，以提高采场的稳定性。李何林等［７］针对回 采顶柱残矿的复杂性和危险性的特点，利用 Ｆｌａｃ３Ｄ软 件对顶柱回采过程中不同回采高度条件下顶板的受力 情况进行了数值模拟分析，得出了回采过程中不同回 采高度条件下顶板最大主应力大小及其分布规律，并 以此作为判断岩体发生张性破坏及其影响范围的依
优化方案在各中段顶柱回采过程中，能够保证采场的稳定，安全可行。
关 键 词 ： 深 部 中 段 ； 顶 柱 回 采 ；一 层 三 步 骤 ； 数 值模拟；稳定性
中图分类号：ＴＤ８５３
文章编号：１００１－１２７７（２０１８）１０－００４２－０６
文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０１８１００９
４２ 采 矿 工 程
黄 金 ＧＯＬＤ
２０１８年第 １０期 ／第 ３９卷
三鑫金铜矿深部中段顶柱回采稳定性分析
胡 勇１，王 维１，孙德胜１，刘 丰１，葛永翔２
（１．湖北三鑫金铜股份有限公司；２．武汉理工大学资源与环境工程学院，矿物资源加工与环境湖北省重点实验室）
摘要：针对三鑫金铜矿深部中段顶柱回采的稳定性问题，以 －４２０～－５７０ｍ中段的顶柱为研 究对象，利用 Ｆｌａｃ３Ｄ模拟软件，探索不同中段顶柱回采过程中的应力、位移、塑性区等变化规律，并
三鑫金铜矿有鸡冠嘴、桃花嘴 ２大矿区，目前开 采的桃花嘴矿区矿体走向长 ５５０ｍ，倾向延伸１３５～ ３９７ｍ，矿体厚度 ２．６～７１．６ｍ，平均厚度 ３０ｍ，矿体 走向 ３５°，倾向北西或北西西，倾角 ６５°～８５°。三鑫 金铜矿在进行 －２２０ｍ中段至 －５７０ｍ中段矿体开采 时，各中段间留设有 １０ｍ高的顶底柱，矿石品位较 高。随着前期的开采，目前还有近 １６０万 ｔ亟待开采 的顶底柱，有较大的经济价值。为提高矿产资源利用 率，延长矿山服务年限，保证矿山生产任务顺利完成， 决定对残留矿柱进行二次回收，顶柱矿房分 ２层回 采，每层又分三步采，第一层矿房尺寸为 ４ｍ×４ｍ， 第二层矿房尺寸为 ４ｍ×５ｍ，均采用“隔二采一”的 回采顺序。通过前期研究得知，上部阶段顶柱回采时 的变形及应力集中现象主要发生在“一层三步骤”开 挖过程。因此，在研究深部中段顶柱回采稳定性时， 可对“一层 三 步 骤 ”开 采 时 其 顶 板 沉 降 及 应 力、塑 性 区的变化进行重点监测分析。
２．２ 物理力学参数
图 １ 总体模型图
建模后，以 ｘ、ｙ、ｚ轴为加载方向施加主应力，固 定边界，以最大不平衡力为收敛条件，求解至平衡后， 初始地应力的效果见图 ２、图 ３、图 ４。最大水平主应
本次研究采用 Ｆｌａｃ３Ｄ软件进行数值计算，需用到
体积模量 Ｋ和剪切模量 Ｇ，二者与杨氏模量 Ｅ及泊松
比 ν之间的转换关系如下：
据，从而分析得出了顶柱安全回采高度，为矿山设计及 开采提供理论依据。
１ 工程概况
湖北三鑫金铜股份有限公 司 （下 称 “三 鑫 金 铜 矿”）位于湖北省大冶市城西 ４．２ｋｍ，是一家资源丰 富、价值高、开采条件复杂的以金铜为主的多金属矿 山企业，开采区域地表不允许沉陷及变形，经过多次 技改扩建，目前生产能力已达 １００万 ｔ／ａ。
收稿日期：２０１８－０５－１５；修回日期：２０１８－０５－２４ 作者简介：胡 勇（１９８５—），男，湖北恩施人，工程师，主要从事矿山生产、安全技术及管理工作；湖北省大冶市金湖乡株林村鸡冠咀，湖北三鑫金
铜股份有限公司，４３５１００；Ｅｍａｉｌ：４２２７９６０４８＠ｑｑ．ｃｏｍ
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根据前期研究结果，选取每个中段顶柱“一层三步骤”的回采过程进行分析。结果显示：随着中段
的加深，应力、位移、塑性区等变化规律不变。水平位移值、竖直沉降值及底板隆起值均随中段呈线
性变化，且均在 －５７０ｍ中段达到最大。各中段靠近临空面处为活性塑性区，基本在 １ｍ的范围
内。在应力平衡过程中，巷道顶部的矿体均未形成塑性区，在回采的过程中较稳定。因此，采用的