用不同采礦方法開采深部磷礦體的地壓規(guī)律模擬

李小雙，李耀基，王孟來

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術研究中心， 云南 晉寧縣 650600；2.云南磷化集團有限公司， 云南 晉寧縣 650600)

用不同采礦方法開采深部磷礦體的地壓規(guī)律模擬

李小雙1,2，李耀基1,2，王孟來1,2

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術研究中心， 云南 晉寧縣 650600；2.云南磷化集團有限公司， 云南 晉寧縣 650600)

以云南磷化集團有限公司晉寧磷礦2號坑口為研究對象，通過FLAC3D數(shù)值模擬計算，對其深部礦體地下開采過程中，不同開采方法條件下采場頂板、圍巖的穩(wěn)定性及礦壓活動規(guī)律進行了系統(tǒng)研究。結果表明：礦體采出后，采空區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉移，在采空區(qū)的上方形成卸壓區(qū)，而在采空區(qū)前后兩側的固定支撐端礦體內(nèi)形成支承壓力帶。采場前方的超前支承壓力隨采場推進不斷前移。在采場法線方向，引起上覆巖體開裂、下陷或跨塌，最終波及到地表，引起開采沉陷。與分段留礦-崩落法開采相比，采用充填法開采時，由于充填體的支撐作用，最大應力集中系數(shù)由1.18減小到1.04，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m，礦體采場頂板覆巖的采動礦壓顯現(xiàn)特征明顯減弱。

磷礦開采；FLAC3D模擬；地壓規(guī)律；不同采礦方法

1 FLAC3D概述

FLAC3D是在FLAC基礎上開發(fā)的可實現(xiàn)采礦工程、巖土工程問題中力學物理過程的單個過程或多個過程相耦合作用的三維模型數(shù)值分析與設計軟件。采用顯式差分格式求解采礦與巖土工程中的微分控制方程，根據(jù)已知應變增量，可以方便地求出應力增量、不平衡力等系統(tǒng)演化變量，目前已在礦業(yè)工程中得到了應用。

2 模型的建立與計算方案

2.1 基本假設

(1) 巖性的假設。假設巖石各向同性、均質，應力與應變準則為摩爾—庫倫準則。

(2) 水平構造應力的假設。考慮到開挖區(qū)域礦體構造簡單，水平構造應力不予考慮。

(3) 礦房結構的簡化。將數(shù)值模型之中的各種礦房結構(巷道、天井、斜井、聯(lián)絡巷以及溜井等)簡化為實體。

2.2 模型的幾何尺寸

以云南磷化集團晉寧磷礦2號坑北部采區(qū)深部傾斜中厚磷礦體具體的地質條件為基礎，在綜合考慮礦山地質采礦技術條件基礎上，結合課題研究的重點，最終選取2號坑口59勘探線之間礦體巖層作為數(shù)值模擬試驗剖面，對原勘探線剖面各巖層厚度取平均值。上部Ⅰ+Ⅱ磷礦層厚按6.8 m考量，下部的Ⅱ磷礦層厚按4.0 m考量。X方向為礦體傾向方向，取地下采場推進長度的一部分300 m；Z方向為礦體及采場各巖層賦存的埋深方向，本次模擬研究主要考慮2120～2320 m范圍內(nèi)情況，取值大小為200 m；Y方向為礦體走向方向，不是本次研究的重點，取值100 m。模型長×高×寬為300 m×200 m×100 m(見圖1)。

圖1 幾何模型

2.3 模型的邊界條件及本構關系

邊界條件設置的準確與否，對數(shù)值模型的計算的結果的合理性以及精度有重要影響。本次計算中， X、Y方向為輥軸支撐邊界條件，模型可分別作x和z向運動，沿垂直方向，只在下表面施加約束。

采用理想彈塑性本構模型，巖石材料破壞準則為摩爾—庫侖準則。

2.4 巖體參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質調查和相關研究提供的巖石力學試驗結果，計算采用的磷礦和巖體的力學參數(shù)見表1。

2.5 數(shù)值模擬計算方案

表1 巖體物理力學參數(shù)

注：標有 *號的是工程類比數(shù)據(jù)；C=σc(1-sinφ)/2cosφ，K=E/3(1-2μ)，G=E/2(1+μ)。

結合相似模型試驗研究成果以及深部礦體地下開采研究內(nèi)容，本次采用連續(xù)介質快速拉格朗日分析法，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對深部礦體地下開采過程中，不同采礦方法條件下大型磷礦山深部開采過程中采場頂板、圍巖的穩(wěn)定性及礦壓活動規(guī)律進行系統(tǒng)研究。2個開采方案如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計算方案

3 計算結果及分析

兩種不同采礦方法磷礦體地下開采后，采場覆巖豎直應力分布特征如圖2,圖3所示。

圖2 方案1各階段開挖后采場覆巖豎直應力分布特征

由圖2～3分析可知，用不同采礦方法對磷礦體進行地下開采時，具有相同的礦壓活動規(guī)律：礦體采出后，采空區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉移，在采空區(qū)的上方形成卸壓區(qū)，而在采空區(qū)前后兩側的固定支撐端礦體內(nèi)形成支承壓力帶。采場前方形成的超前支承壓力隨采場推進不斷前移。在采場法線方向，除采場頂板巖層外，還會影響相近的上部巖層及圍巖，嚴重的甚至會引起上覆巖體開裂、下陷或跨塌,最終波及到地表，引起開采沉陷。

同時，由圖2～3分析可知，用兩種不同采礦方法開采磷礦體時，礦壓活動規(guī)律具有一定的差異性：采用廢石膠結充填采礦法開采時，維護采場穩(wěn)定性的主體是圍巖和廢石膠結充填體，當廢石膠結充填體未進入采空區(qū)前，采場的穩(wěn)定性主要取決于圍巖的穩(wěn)定性，此時圍巖完全承擔全部載荷。當廢石膠結充填體進入采空區(qū)后，所有載荷由二者共同承擔，廢石膠結充填的過程是充填體本身被壓實的過程，它對采場頂板及圍巖的支撐是被動的，其支護作用是靠頂扳的下沉和圍巖的閉合實現(xiàn)的。數(shù)值模擬結果表明，采用充填法開采時，由于充填體的支撐作用，采場頂板覆巖的采動礦壓顯現(xiàn)特征不明顯，與分段留礦-崩落法相比，其礦壓顯現(xiàn)的程度明顯較弱。采場前方支承壓力區(qū)域的最大應力集中系數(shù)由分段留礦-崩落法的1.18減小到1.04(最大應力集中系數(shù)為礦體各步開挖后的平均值)，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m。

4 結 論

(1) 采用充填法開采時,由于充填體的支撐作用，采場頂板覆巖的采動礦壓顯現(xiàn)特征不明顯，與分段留礦-崩落法相比，其礦壓顯現(xiàn)的程度明顯較弱，主要體現(xiàn)為：采場前方支承壓力區(qū)域的最大應力集中系數(shù)由分段留礦-崩落法的1.18減小到1.04(最大應力集中系數(shù)為礦體各步開挖后的平均值)，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m。

(2) 采用充填采礦方法后，采場圍巖的強度和承壓力得到強化、加固，地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯減弱。其本質原因為：充填體充入采場，改變了采場幫壁和底板的應力狀態(tài)，使其單軸或雙軸應力狀態(tài)變?yōu)殡p軸或三軸應力狀態(tài)，其圍巖的強度得到很大改善，從而增強了圍巖的自支撐能力，防止了由于采動上覆巖層向底板的轉移，減少了由于采動引起的底板破壞深度。

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2013-09-18)