特大型地下礦山膠結充填采場結構參數優化*

邱景平辛國帥張世玉柳小波孫曉剛張兆仁李家明牛文杰陳 進王瑞雪

(1.東北大學資源與土木工程學院;2.鞍鋼集團礦業設計研究院)

特大型地下礦山采用充填法開采，國內外先例不多，產能的保障嚴格依賴于采礦方法生產能力、大能力充填裝備是否可靠、充填系統能否順利運行、充填質量能否得到保證、充填體凝固時間能否盡可能縮短等大能力充填關鍵技術與裝備。由于特大型地下礦山生產能力大，需要充填的采空區體積大，所以往往應用空場法嗣后充填的方式進行采礦，安徽霍邱李樓鐵礦為實現750萬t的年產量、河北鋼鐵礦業公司司家營鐵礦(三期)為實現1 500萬t的年產量采用的就是階段礦房嗣后充填的采礦方法。本研究結合鞍山地區大型鐵礦的巖性條件和前期膠結充填試驗結果，研究采場結構參數優化，以便為鞍山地區大型鐵礦下一步應用階段礦房嗣后充填采礦方案提供理論基礎和科學依據。

1 模型建立

為了達到特大型礦山年產量超過500萬t的要求，需要實行多個盤區同時生產。設定每6個礦塊組成1個盤區，每個盤區安排3個礦塊同時出礦，先回采礦房，回采完畢進行膠結充填，最后回采礦柱。圖1為盤區內采場布置，1、3、5、8、10、12為礦房，2、4、6、7、9、11為礦柱。

通過對大量不同應力條件下巖體變形破壞特征的分析發現，地下巖體開挖所引起的擾動區域有一定邊界，一般可認為巖體擾動范圍為開挖空間的3～5倍，據此確定本數值計算域，圖2為利用Ansys建立的模型;研究的本構模型取在巖土工程和采礦工程中應用較為廣泛的莫爾－庫侖模型。模型的邊界條件為:約束模型前后和左右邊界的水平位移即邊界的水平位移為零;模型底部為固定約束，即底部邊界水平和垂直位移均為零;模型頂部(不為地表)為自由邊界，在模型頂部施加相應的壓力(本次選取地下開挖深度約為500 m)，其大小由模型頂部到地表巖體自重產生。選取礦巖物理力學參數如表1所示。

圖1 盤區內礦房布置

圖2 Ansys建立的模型

表1 礦巖物理力學參數

為方便開展數值計算，提高效率，需要對開挖過程進行簡化，同時又確保數值模擬的有效性，特做如下假設:①礦體、巖體、充填體均視為各向同性材料;②盤區礦塊開挖前，模型處于初始應力平衡狀態;③假設采場開挖、充填工藝均為1次完成，忽略爆破動載對開采的影響;④礦山開拓、采準、切割巷道對采場開挖的應力場影響較小，予以忽略。

2 試驗方案

本次利用正交試驗方法安排一定的試驗，采用數值模擬方法來分析研究不同的采場結構參數對安全性的影響，并給出合理的采場結構參數方案。

影響階段礦房法采礦采場穩定性的因素很多，參照國內類似特大型礦山的實際情況，本次主要選礦房高、礦房寬、礦房長和礦柱寬4方面因素，即選取了4因素3水平，因素水平安排如表2所示。

表2 正交試驗因素水平安排 m

3 模擬試驗結果及有限元分析

(1)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板最大主應力模擬正交試驗結果見表3，極差分析結果見表4。

表3 最大主應力正交試驗結果

表4 最大主應力正交試驗極差分析結果 MPa

從表4可以看出，影響礦體回采頂板穩定性因素的權重分別為礦房高32.31、礦房長31.24、礦房寬11.97、礦柱寬11.02，即礦房高度和礦房長度對采場回采頂板穩定性影響最為明顯，礦柱寬度影響最小。礦房的高度越高，隨著采深的增加，空區體積變大，頂板自穩能力變差，地應力作用于頂板效果越明顯，頂板越不穩定。試驗1、2、3、6、7，頂板周圍的最大主應力較小，相對合理。

(2)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板豎直方向位移模擬正交試驗結果見表5，極差分析結果見表6。

表5 豎直方向位移正交試驗結果

表6 豎直方向位移正交試驗極差分析結果 cm

從表6可以找出，影響礦體回采頂板位移因素的權重分別為礦房長度38.92、礦房寬度22.05、礦房高度21.22、礦柱寬度20.22，即采場長度對采場回采頂板位移影響最為明顯，其他因素影響相對較小。這是因為放礦房長度增加時，采場的跨度變大，暴露面積變大時，頂板穩定性變差，所以頂板豎直位移就大。對于試驗5、9來說，由于采場應力過大，采場充填體受力發生嚴重破壞，致使豎直位移過大。由此可以看出試驗1、2、6、7的采場穩定性較好，相對合理。

(3)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板最小主應力模擬正交試驗結果見表7，極差分析結果見表8所示。

礦柱開挖是在礦房全部采完，膠結充填完畢后進行礦柱的開采。結構參數是否合理對礦柱開挖是否安全影響同樣很大。從表8可以看出，對礦房開挖采場拉應力影響最大的是礦房的寬度，權重為4.95，其次是礦房的長度，權重為4.01，而礦房的高度影響最小，為1.77。從此可以看出試驗1、2、6情況下采場的穩定性較好，相對合理。

表7 最小主應力正交試驗結果

表8 最小主應力正交試驗極差分析結果 MPa

根據以上計算結果分析，在采場結構參數選取過程中，可以優先選擇1、2或6方案，而為了達到產量要求，需要在保證采場穩定性的條件下對采場的尺寸適當地增大，保證采場體積最大。結合鞍山地區特大型鐵礦開采技術條件與充填采礦要求，綜合考慮，選擇方案2為最優方案，采場參數:礦房長度為50 m，礦房寬度為18 m，礦柱寬度為18 m，礦房高度為60 m。

4 結論

根據本研究結果，按照安全、高效開采的原則，并結合開采技術條件與經濟條件，對鞍山地區特大型鐵礦采場參數進行了優化選擇，確定了最優的采場結構參數:礦房高度為60 m，礦房長度為50 m，礦房寬度為18 m，礦柱寬度為18 m，并通過前期的膠結充填試驗，確定了合理的灰砂比和料漿濃度，為鞍山地區大型鐵礦下一步應用階段礦房嗣后充填采礦方案提供了科學依據。

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