數(shù)值模擬在分層充填法采場(chǎng)參數(shù)選擇中的應(yīng)用

楊家冕 劉人恩 王 星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心;4.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司)

1 地質(zhì)概況

1.1 水文地質(zhì)條件

蒼山鐵礦礦區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，降水通過基巖裂隙直接補(bǔ)給，是泰山群山草峪組、寒武系、震旦系裂隙水補(bǔ)給來源之一。第四系在本區(qū)分布不廣，一般分布于地形低洼處及河流兩側(cè)，接受大氣降水和河流補(bǔ)給，僅在枯水期補(bǔ)給河水。第四系孔隙水亦是基巖裂隙水的補(bǔ)給來源，礦體與圍巖中含有不均勻的裂隙水，富水性弱，透水性差。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦體頂板為黑云母長(zhǎng)英變粒巖類巖石，按普氏分類法屬I～Ⅲ級(jí)，由上而下，由堅(jiān)硬變?yōu)闃O堅(jiān)硬，密度2.68～3.46 t/m3，抗壓強(qiáng)度83.5～201.2 MPa。礦石垂直抗壓強(qiáng)度47.7～314.6 MPa，平均值210.4 MPa，抗剪強(qiáng)度5.2～46.7 MPa，平均34 MPa，其普氏系數(shù)在5～31，平均為21。礦體底板角閃巖類巖石，屬Ⅱ級(jí)極堅(jiān)硬巖石，密度2.74～3.12 t/m3，抗壓強(qiáng)度24.1～185.2 MPa，內(nèi)摩擦角大于80°。總體來說，礦床工程地質(zhì)條件良好，作用于坑道之上土石壓力不大，適宜井下工程建設(shè)。

1.3 礦體特征

蒼山鐵礦主礦體賦存于泰山群山草峪組變質(zhì)巖層中，呈鞍狀，沿南北翼展布，走向一般為290°，兩翼傾角多為30°左右，局部地段傾角大于45°。礦體走向長(zhǎng)約2.5 km，厚度4～25 m。

2 采礦方法

由于蒼山鐵礦礦區(qū)地表有農(nóng)田、民房等需要保護(hù)的對(duì)象，地表不允許塌陷，所以崩落采礦法不予以考慮。依據(jù)礦體賦存特點(diǎn)與礦床開采技術(shù)條件，考慮到地表不允許沉降、要求保護(hù)的事實(shí)，及礦山有用元素品位低，只能通過采用高效、大規(guī)模開采才能贏利的實(shí)際情況，在對(duì)國(guó)內(nèi)外資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，首先提出了“盤區(qū)機(jī)械化分層尾砂充填采礦法”、“盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式大分層尾砂充填采礦法”這2個(gè)初選方案。在此基礎(chǔ)上，采用巖石力學(xué)相關(guān)理論，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與分析，然后通過綜合經(jīng)濟(jì)比較分析法確定“盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式分層尾砂充填采礦法”作為礦山采礦的主體方案。

標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)點(diǎn)柱式上向水平分層充填法如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)點(diǎn)柱式上向水平分層充填法(單位為m)

3 采場(chǎng)參數(shù)初選

盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填法的采場(chǎng)參數(shù)選取依據(jù)主要就是采場(chǎng)點(diǎn)柱所控制的采場(chǎng)面積大小，即采場(chǎng)點(diǎn)柱的尺寸及點(diǎn)柱間的距離。

對(duì)于空?qǐng)霾傻V法中的礦柱來說，其安全系數(shù)通常都認(rèn)為應(yīng)大于1，特別是有礦柱擠壓趨勢(shì)的堅(jiān)硬礦巖。分層充填采礦法礦房中的點(diǎn)柱設(shè)計(jì)與其他空?qǐng)龇ㄩ_采時(shí)的礦柱相同，都是以礦柱的強(qiáng)度和作用在礦柱上的最大垂直載荷為基礎(chǔ)，載荷的大小按面積理論確定。但礦柱作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)試驗(yàn)研究結(jié)果表明:在充填體中的礦柱的破壞是與充填體同時(shí)逐漸形成的，不會(huì)產(chǎn)生突然的破壞，從而能有效地防止頂板冒落。因此，礦柱的安全系數(shù)接近1，設(shè)計(jì)按1選取，即礦柱強(qiáng)度等于礦柱的載荷時(shí)，就可以穩(wěn)定地支撐頂板。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似礦山和點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及蒼山鐵礦的開采技術(shù)條件及開采現(xiàn)狀，根據(jù)Biwniawski所提出的礦柱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式計(jì)算出合適的點(diǎn)柱尺寸后，確定采場(chǎng)內(nèi)最大暴露面積按3組(400 m2、500 m2和600 m2)分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4 數(shù)值分析

近年來發(fā)展起來的FLAC程序能模擬巖體從小變形到大變形以及破壞全過程，是一種很有效的數(shù)值計(jì)算手段。因此利用專門針對(duì)巖土工程開發(fā)的有限差分程序FLAC3D對(duì)蒼山鐵礦采場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。

4.1 計(jì)算模型建立及邊界條件確定

數(shù)值模擬模型的范圍大小及單元的劃分對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的精度及可靠性有著十分重要的影響，在計(jì)算機(jī)條件允許的情況下，計(jì)算域盡可能取大些，至少應(yīng)能夠基本保證由于開挖引起的圍巖最大移動(dòng)范圍或變形范圍處于計(jì)算區(qū)域以內(nèi)。

本次計(jì)算結(jié)合蒼山鐵礦的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及所用的點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法的特點(diǎn)，為完全模擬開采過程、頂板圍巖受采動(dòng)影響的過程、開采過程中點(diǎn)柱的穩(wěn)定性，以蒼山鐵礦32～56勘探線剖面圖中具有代表性的36線、38線、38'線、41線、41'線、42線、44線、48線以及55線剖面圖為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沿礦體走向方向進(jìn)行采礦作業(yè)的研究，進(jìn)行數(shù)值模擬。最終確定以下3組模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)值計(jì)算:

模型1。暴露面積為400 m2的模型，長(zhǎng)度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型2。暴露面積為500 m2的模型，長(zhǎng)度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型3。暴露面積為600 m2的模型，長(zhǎng)度500 m，寬度100 m，高度324 m。

由于計(jì)算時(shí)模型的尺寸已經(jīng)考慮了采場(chǎng)開挖以后造成的影響范圍，故而只需于模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型于前后及左右方向均施加水平方向約束，于模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面。

4.2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)蒼山鐵礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計(jì)算的要求，經(jīng)歸類及工程處理后，考慮了3種力學(xué)介質(zhì):上盤，黑云母角閃片巖;下盤，磁鐵角閃片巖;礦體，磁鐵礦石。在數(shù)值模擬過程中所用力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

4.3 模擬計(jì)算方案

影響采場(chǎng)穩(wěn)定性及充填效果的因素很多，一般主要有礦巖賦存環(huán)境、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采方式、開采順序以及開采擾動(dòng)等實(shí)際開采情況。為盡可能真實(shí)地反映礦體開采及充填的實(shí)際情況，并使得模擬開采在正確的應(yīng)力環(huán)境中進(jìn)行，數(shù)值計(jì)算按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)形成初始應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)建立的模型，按照以上主應(yīng)力與垂直深度的變化關(guān)系形成初始應(yīng)力場(chǎng)，使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)構(gòu)建采場(chǎng)開采模型。在模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后，進(jìn)行采場(chǎng)開采模型的構(gòu)建。本次數(shù)值模擬對(duì)象為－140 m中段采場(chǎng)，確定盤區(qū)采場(chǎng)長(zhǎng)度為100 m，寬度為礦體厚度，采場(chǎng)高度為階段高度，即為50 m。

(3)模擬計(jì)算空?qǐng)鰲l件下最大可暴露面積。本次數(shù)值模擬根據(jù)礦體賦存條件及其初步設(shè)計(jì)擬定的礦山開采順序，單采場(chǎng)條件下，分別計(jì)算暴露面積為400 m2、500 m2、600 m2的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化情況及采場(chǎng)頂板位移情況，進(jìn)而判斷在空?qǐng)鰲l件下采場(chǎng)的最大可暴露面積。

4.4 結(jié)果分析

3 種暴露面積下采場(chǎng)的最大主應(yīng)力模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 暴露面積400 m2時(shí)最大主應(yīng)力云圖

由以上模擬結(jié)果可知，在單空區(qū)條件下，不同暴露面積時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層中的最大和最小主應(yīng)力分布均存有共性，即呈層狀分布;另外，采場(chǎng)周圍的主應(yīng)力基本呈對(duì)稱狀分布。頂板暴露面積為400 m2時(shí)，最大主應(yīng)力為10.457 MPa，出現(xiàn)于采場(chǎng)下部?jī)蓚?cè)，并且在采場(chǎng)頂部角隅處6 m左右伴隨有應(yīng)力集中現(xiàn)象，采場(chǎng)頂板最大位移量為6.728 mm。暴露面積為500 m2時(shí)，采場(chǎng)周圍應(yīng)力狀態(tài)與400 m2時(shí)大致相同，最大主應(yīng)力為10.476 MPa，在頂板角隅處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板最大位移量為7.024 mm。暴露面積為600 m2時(shí)，最大主應(yīng)力為10.515 MPa，但此時(shí)采場(chǎng)頂板最大位移量達(dá)1.472 cm，呈明顯上升趨勢(shì)，比上2個(gè)位移值增加了1倍左右，而且采場(chǎng)頂板有2 m左右范圍處于拉伸狀態(tài)，兩幫區(qū)域處于剪切狀態(tài)。

圖4 暴露面積600 m2時(shí)最大主應(yīng)力云圖

結(jié)合以上分析結(jié)果，在單采場(chǎng)條件下，采場(chǎng)寬度在12 m以內(nèi)，高度在8 m內(nèi)的情況下，頂板最大安全暴露面積控制在500 m2以內(nèi)，頂板安全是比較可靠的，但在節(jié)理裂隙發(fā)育地段需另做研究。

5 采場(chǎng)參數(shù)的確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似礦山的開采技術(shù)條件、點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀、開拓現(xiàn)狀以及模擬的結(jié)果，確定采場(chǎng)要素為:中段高度50 m，沿礦體走向劃分為開采盤區(qū)，盤區(qū)長(zhǎng)為礦體東西向長(zhǎng)度400 m(盤區(qū)內(nèi)劃分4個(gè)回采單元，每個(gè)回采單元長(zhǎng)度為100 m)，寬度為2層礦體的厚度，盤區(qū)間留盤區(qū)礦柱20 m，頂柱高4 m，分段高度15 m，設(shè)計(jì)采高4 m，分層控頂高度為6 m左右，第一回采分層開采時(shí)可適當(dāng)放大回采高度，但原則上不允許超過8 m的控頂高度。采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m，點(diǎn)柱中心間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦體寬度確定，但控制最大暴露面積不應(yīng)超過500 m2。

6 結(jié)語

通過數(shù)值模擬結(jié)果，將原來的最大采場(chǎng)暴露面積400 m2增大到現(xiàn)在的500 m2，不僅為采場(chǎng)點(diǎn)柱的留設(shè)提供了理論依據(jù)，還增加了資源的回收率。通過蒼山鐵礦近2 a的回采實(shí)踐的檢驗(yàn)，所確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是安全、經(jīng)濟(jì)、合理的。

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