深部礦床上行式開采采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

王運(yùn)敏 孫國(guó)權(quán) 王 星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山243000)

據(jù)有關(guān)資料，我國(guó)有約45 億t 金屬礦產(chǎn)屬富水或?qū)佟叭隆钡V體，開采環(huán)境極為復(fù)雜，這類礦山井下開采引發(fā)的巖層移動(dòng)和地表變形涉及到地表建構(gòu)筑物的安全。巖層變形受礦區(qū)工程地質(zhì)特性、礦體賦存條件、采礦方法、地壓管理等多種因素影響，在不同情況下各因素的影響程度不同，針對(duì)這些環(huán)境復(fù)雜礦床開采可能出現(xiàn)的一系列安全和技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就地壓顯現(xiàn)規(guī)律及深井地壓?jiǎn)栴}［1］，深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序優(yōu)化［2］，深部地壓分析及安全開采順序［3］，安全頂柱留設(shè)方法，礦體開采地表環(huán)境保護(hù)，深井開采降本增效等問題進(jìn)行了大量研究［4］。

復(fù)雜的開采技術(shù)條件使得巖層變形十分復(fù)雜，常因地表變形特性預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，導(dǎo)致礦山建設(shè)規(guī)劃不合理，地表征地和居民搬遷范圍過小或過大，均造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了礦山正常安全生產(chǎn)。本研究以典型的“三下”礦山金口嶺深部礦體開采為例，采用定量與定性相結(jié)合的方式數(shù)值模擬［5-6］，對(duì)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下頂板巖層變形特性進(jìn)行，以為礦山開采規(guī)劃及安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦床開采技術(shù)條件

金口嶺深部礦體賦存標(biāo)高在－380 ～－980 m，礦體為似層狀，走向北東20° ～40°，傾向北西，傾角65°～70°，走向長(zhǎng)約300 m，視厚2.94 ～26.78 m，真厚約8 m。礦體圍巖主要有透輝石石榴石矽卡巖、矽卡巖化大理巖、矽卡巖化石英閃長(zhǎng)巖、長(zhǎng)英質(zhì)角巖、大理巖、石英巖等;礦體頂部圍巖為蝕變石英閃長(zhǎng)巖，穩(wěn)定性較好;底板圍巖主要為石英砂巖，該組巖石完整、穩(wěn)定，但由于局部受斷裂構(gòu)造或巖枝、巖脈穿插破壞，巖石質(zhì)量局部變差、巖體穩(wěn)定性降低。

區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要是銅官山背斜和金口嶺向斜，為一短軸不對(duì)稱傾伏背斜，軸面呈“S”型扭曲，呈波狀起伏。區(qū)內(nèi)節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，節(jié)理以剪節(jié)理為主，與礦區(qū)斷裂方位基本一致，有北東向、北西向及近南北向3 組較發(fā)育。在金口嶺礦區(qū)內(nèi)裂隙主要為北北西向的扭裂隙，其次為北西向的張裂隙，近東西向的扭裂隙發(fā)育較差，北東向的壓性破裂面罕見。

礦區(qū)開采的周邊環(huán)境極為復(fù)雜，地表有工業(yè)廠房、居民樓、過境省級(jí)公路、水塘、學(xué)校，屬典型的深埋“三下”礦床。

1.2 礦區(qū)原巖應(yīng)力場(chǎng)

巖體初試應(yīng)力場(chǎng)分布特征、應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向隨地域、深度而變化，礦體開挖后，巖體變形與應(yīng)力場(chǎng)的大小、特征及其變化聯(lián)系密切。分別在－171、－450及－510 m 中段共布置了4 個(gè)套孔應(yīng)力解除測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行了2 次套孔應(yīng)力解除，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分量計(jì)算值Table 1 Stress component calculated value of each measuring point

1.3 巖體力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，得到了礦山主要礦巖石力學(xué)參數(shù)值，綜合礦山工程地質(zhì)特征，經(jīng)強(qiáng)度折減后的礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

2 采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值計(jì)算模型

本次數(shù)值模擬以金口嶺Ⅱ號(hào)深部的83 ～88 勘探線為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行上行式采礦作業(yè)及充填效果和對(duì)地表保護(hù)作用的數(shù)值模擬。模型長(zhǎng)度980 m，寬度800 m，高度945 m，模型頂面至地表(見圖1)。

表2 金口嶺Ⅱ號(hào)深部巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Deep rock mass mechanics parameters of Ⅱ# orebody in Jinkouling Mine

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical simulation model

2.2 模型邊界條件

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，故而只需在模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型在前后及左右方向均施加水平方向約束，在模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面。

2.3 初始應(yīng)力及力學(xué)參數(shù)

初始應(yīng)力和力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行數(shù)值模擬等力學(xué)分析的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，本次計(jì)算根據(jù)上述實(shí)測(cè)的原巖應(yīng)力分布規(guī)律、應(yīng)力實(shí)測(cè)值、強(qiáng)度折減后的巖體力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行模型初始應(yīng)力場(chǎng)的加載和賦值。

2.4 模擬方案

根據(jù)擬定的盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法，盤區(qū)長(zhǎng)度分別為50、60 和70 m，間柱分別為6、8、10 m，頂?shù)字謩e為6、7、8 m，點(diǎn)柱尺寸分別為3 m×3 m、4 m×4 m、5 m ×5 m，點(diǎn)柱走向間距分別為10、12、15 m，分層控頂高度為6 m，每次采高為4 m。充填時(shí)，每分層首先采用上中段生產(chǎn)的廢石充填1.5 m。然后再用全尾砂和膠結(jié)尾砂充填0.5 m。

采用上行式開采順序，從下至上共劃分7 個(gè)中段，中段高度為60 m，最低中段為－850 m、最高中段為－430 m，數(shù)值計(jì)算按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)進(jìn)行－850 m 中段第一分層6 m 的采礦作業(yè)。

(2)進(jìn)行采場(chǎng)充填，充填高度為4 m，預(yù)留2 m 作為上部分層回采的作業(yè)空間。

(3)－850 m 中段上部第二分層采礦作業(yè)，采高為4 m，形成6 m 的分層控頂高度。

(4)進(jìn)行－850 m 第二分層采場(chǎng)充填，充填高度為4 m。

(5)依次逐層向上進(jìn)行回采和充填，直至完成最上部－430 m 中段最后分層的接頂充填作業(yè)。

2.5 模擬結(jié)果

按以上計(jì)算方案，得出不同采場(chǎng)參數(shù)下，最大、最小主應(yīng)力云圖、位移云圖等，如圖2 ～圖13 所示。下面僅列出不同參數(shù)組合下數(shù)值計(jì)算結(jié)果部分云圖并進(jìn)行分析。

(1)頂?shù)字鶠? m，間柱為8 m，點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m，點(diǎn)柱間距為12 m。如圖2 ～圖6。

圖2 －850 m 分層回采最大主應(yīng)力Fig.2 Maximum principal stress at －850 m RL

圖3 －850 m 分層回采最小主應(yīng)力Fig.3 Minimum principal stress at －850 m RL

圖4 －430 m 分層回采后最大主應(yīng)力Fig.4 Maximum principal stress at －430 m RL

(2)頂?shù)字鶠? m，間柱為10 m，點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m，點(diǎn)柱間距為15 m。如圖7 ～圖9。

(3)頂?shù)字鶠? m，間柱為6 m，點(diǎn)柱尺寸為3 m×3 m，點(diǎn)柱間距為10 m。如圖10 ～圖13。

圖5 －430 m 分層回采結(jié)束位移云圖Fig.5 Minimum principal stress at －430 m RL

圖6 －850 m 分層回采最大主應(yīng)力Fig.6 Maximum principal stress at －850 m RL

圖8 －430 m 分層回采最大主應(yīng)力Fig.8 Maximum principal stress at －430 m RL

圖9 －430 m 分層回采位移云圖Fig.9 Minimum principal stress at －430 m RL

2.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)點(diǎn)柱不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下地表變形特性。根據(jù)數(shù)值模擬和結(jié)果分析，得出了不同點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的各回采方案所產(chǎn)生的地表傾斜值、曲率值和地表水平變形值。如圖14 ～圖16 所示。

圖10 －850 m 分層回采最大主應(yīng)力Fig.10 Maximum principal stress at －850 mRL

圖11 －850 m 分層回采最小主應(yīng)力Fig.11 Minimum principal stress at －850 mRL

圖12 －430 m 分層回采最大主應(yīng)力Fig.12 Maximum principal stress at －430 mRL

圖13 －430 m 分層回采位移云圖Fig.13 Minimum principal stress at －430 mRL

圖14 不同點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下地表傾斜值Fig.14 Surface tilt value under different structure parameters of pointed pillar

圖15 不同點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下地表曲率值Fig.15 Surface curvature value under different structure parameters of pointed pillar

圖16 不同點(diǎn)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下地表水平變形值Fig.16 Surface horizontal deformation value under different structure parameters of pointed pillar

根據(jù)對(duì)不同點(diǎn)柱尺寸和點(diǎn)柱間距下地表的變形分析可知，地表傾斜值、曲率值和水平變形值在點(diǎn)柱參數(shù)變化時(shí)呈現(xiàn)盤區(qū)跳躍式的變化規(guī)律。由圖14 ～圖16 可以看出，地表變形值隨著盤區(qū)長(zhǎng)度的增大而增大，隨著點(diǎn)柱寬度的增大而減小，隨著點(diǎn)柱間距的增大而增大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，地表變形最大為點(diǎn)柱寬度為3 m、點(diǎn)柱間距為10 m 時(shí)的變形值，當(dāng)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m 和5 m ×5 m，點(diǎn)柱間距為12 m 和15 m 時(shí)，地表變形值變化不大，在交互性框架式礦柱內(nèi)，點(diǎn)柱對(duì)框架式礦柱承載能力的提升作用明顯。所以推薦采用點(diǎn)柱尺寸4 m×4 m，點(diǎn)柱間距12 m，此方案的地表傾斜值為－0.18 mm/m，曲率值為－0.003×10－3/m，水平變形值為0.11 mm/m，均小于《GB>50771—2012 有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中地表建構(gòu)筑物所允許的變形值(地表傾斜值為±3 mm/m，曲率值為±0.2×10－3/m，水平變形值為±2 mm/m)。

(2)盤區(qū)、頂柱、間柱不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下地表變形特性。在點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法中，盤區(qū)劃分為50 m、60 m、70 m，頂柱分別為6 m、7 m、8 m，間柱為6 m、8 m、10 m，數(shù)值模擬過程中，不同參數(shù)組合方案對(duì)地表的影響程度各不相同。地表傾斜值、曲率值和水平變形值如圖17 ～圖19 所示。

圖17 各方案地表傾斜值對(duì)比Fig.17 Surface tilt value comparison of every scheme

礦體回采過程產(chǎn)生的次生應(yīng)力由交互性框架式礦柱、盤區(qū)內(nèi)留設(shè)的點(diǎn)柱、上下盤圍巖和充填體共同承載。盤區(qū)分層未充填之前，點(diǎn)柱徑向臨空，進(jìn)行充填之后點(diǎn)柱處于充填體部分的受力狀態(tài)由單向變?yōu)槿S受力狀態(tài)，提高了點(diǎn)柱的承載能力。從模擬分析結(jié)果的圖2 ～圖13 可以得到，最大主應(yīng)力隨著分層的回采和充填而逐漸減小，當(dāng)進(jìn)行第一分層回采時(shí)，點(diǎn)柱內(nèi)最大主應(yīng)力為31.53 MPa，但經(jīng)充填后，其應(yīng)力值隨即減小，為27.60 MPa。進(jìn)行第二分層回采時(shí)，最大主應(yīng)力又隨之增大，充填后又降低，如此循環(huán)直至最后一分層進(jìn)行接頂充填后，最大主應(yīng)力降低1/4。各方案中均沒有出現(xiàn)塑性貫通區(qū)。根據(jù)圖17～圖19 的各方案地表變形參數(shù)分析，當(dāng)盤區(qū)長(zhǎng)度為50 m 和60 m 時(shí)，地表變形參數(shù)對(duì)頂?shù)字伴g柱尺寸變化表現(xiàn)敏感，其最大值出現(xiàn)在盤區(qū)長(zhǎng)度為60 m，頂柱厚度為6 m，間柱為6 m 的方案中，但其值均遠(yuǎn)小于規(guī)程所允許值。當(dāng)盤區(qū)長(zhǎng)度增大到70 m 時(shí)，地表變形參數(shù)對(duì)頂?shù)字伴g柱尺寸變化表現(xiàn)鈍感，各方案中地表變形值均在所允許范圍內(nèi)。所以綜合考慮開采的安全性和資源的回收率，推薦盤區(qū)參數(shù)為盤區(qū)長(zhǎng)度70 m，頂柱厚度6 m，間柱寬度為6 m。

圖18 各方案地表曲率值對(duì)比Fig.18 Surface curvature value comparison of every scheme

圖19 各方案地表水平變形值對(duì)比Fig.19 Surface horizontal deformation value comparison of every scheme

3 結(jié) 論

(1)深部礦體上行式開采一方面可通過將上中段廢石回填至下中段空區(qū)的方式有效減少廢石排出量，另一方面又可通過上向及時(shí)充填采空區(qū)有效控制圍巖變形，該開采模式對(duì)地表建構(gòu)筑物保護(hù)要求高的礦體開采具有重要意義。

(2)盤區(qū)點(diǎn)柱式充填采礦法可有效控制地表變形，金口嶺礦區(qū)采用盤區(qū)長(zhǎng)度為70 m、頂柱厚度為6 m、間柱寬度為6 m、點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m、點(diǎn)柱間距為12 m 的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，地表傾斜值－0.18 mm/m，曲率值－0.003 ×10－3/m，水平變形值0.11 mm/m，均小于《GB 50771—2012 有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中地表建構(gòu)筑物所允許的變形值。

［1］ 宮德玉，彭衛(wèi)杰. 地壓顯現(xiàn)規(guī)律及解決深井地壓?jiǎn)栴}的方案［J］.化工礦物與加工，2009(11):33-34.

Gong Deyu，Peng Weijie. Law of manifestation of rock presure and solution of deep ground pressure［J］.Industrial Minerals ＆ Processing，2009(11):33-34.

［2］ 盧 萍.深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序優(yōu)化研究［D］. 重慶:重慶大學(xué)，2008.

Lu Ping.Optimization of Deep Stope Structure Parameters and Mining Sequence［D］.Chongqing:Chongqing University，2008.

［3］ 管佳林.深部地壓分析及安全開采順序研究［D］. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2013.

Guan Jialin.Research on Deep Pressure Analysis and Safety Mining Sequence［D］.Changsha:Central South University，2013.

［4］ 董凱程，曹 輝，解聯(lián)庫.地下采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.有色金屬:礦山部分，2012，64(4):19-22.

Dong Kaicheng，Cao Hui，Xie Lianku. Numerical simulation of underground stope stability and structural parameters optimization［J］.Nonferrous Metals:Mining Section，2012，64(4):19-22.

［5］ 王曉軍，方勝勇，劉績(jī)勛.充填井下關(guān)鍵隔離層控制地表沉陷的數(shù)值模擬［J］.金屬礦山，2010(10):13-16.

Wang Xiaojun，F(xiàn)ang Shengyong，Liu Jixun. Numerical simulation on the surface subsidence of key spacing bond control in underground filling［J］.Metal Mine，2010(10):13-16.

［6］ 杜國(guó)棟，李 曉，韓現(xiàn)民，等. 充填采礦法引起的地表變形數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2008(1):39-43.

Du Guodong，Li Xiao，Han Xianmin.Numerical simulation of ground deformation caused by backfill mining［J］. Metal Mine，2008(1):39-43.

［7］ 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì).GB 50771—2012 有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

China Nonferrous Metals Industry Association. GB 50771-2012 Code for Design of Nonferrous Metal Mining［S］. Beijing:China Planning Press，2012.