用Mathews 穩(wěn)定圖法與數(shù)值分析法優(yōu)化充填開(kāi)采礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

許宏亮 劉召勝 石 露 王少泉

(1.中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116600;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢430071)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展越來(lái)越重視，礦山的開(kāi)采要求不允許引起地表塌陷;同時(shí)隨著采礦技術(shù)的發(fā)展、大型采礦設(shè)備的引進(jìn)以及新型充填材料的研制成功，充填法開(kāi)采成為礦山開(kāi)采的一個(gè)重要選擇［1］。特大型礦山的充填法開(kāi)采，國(guó)內(nèi)外的先例不多［2］。階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ň哂谢夭晒に嚭?jiǎn)單、效率高、成本低等空?qǐng)龇▋?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有嗣后一次性充填空區(qū)的靈活性，可大幅提高充填的效率，降低成本［3］，為大型、特大型地下礦山的首選充填采礦方法，如國(guó)內(nèi)的紅透山銅礦［3］，冬瓜山銅礦［4］，司家營(yíng)鐵礦［2］以及安徽霍邱地區(qū)的草樓、李樓等鐵礦［5］均是采用該采礦方法。

厚大礦體劃分成不同的采場(chǎng)，采場(chǎng)開(kāi)采以后形成的采空區(qū)由尾砂充填體進(jìn)行充填，采場(chǎng)的設(shè)計(jì)與采場(chǎng)生產(chǎn)能力、采空區(qū)穩(wěn)定性和礦石的回收率密切相關(guān)，且要求礦山裝備水平和開(kāi)采技術(shù)工藝與之相適應(yīng)。選用合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以減少采準(zhǔn)切割工程量和礦石貧化和損失率，從而降低礦山生產(chǎn)成本，促進(jìn)礦山安全高效生產(chǎn)，使礦山整體經(jīng)濟(jì)效益得以提高。顯然，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是控制地壓災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)礦體安全高效開(kāi)采的重要保證［6］。

本研究以馬鋼(集團(tuán))控股有限公司霍邱張莊鐵礦為依托礦山，首先基于Mathews 穩(wěn)定圖法初步選定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用FLAD3D建立盤(pán)區(qū)模型對(duì)初步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比選，獲取最終的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 礦山概況

張莊鐵礦為隱伏礦體，礦體頂板直接被第四系黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫層覆蓋，覆蓋層厚度146 ～196 m，層內(nèi)砂層含水豐富。第四系之下基巖古風(fēng)化帶厚20 ～70 m，一般40 m 左右。接近古風(fēng)化帶礦石為氧化礦，厚度28 ～61 m，平均38 m。氧化帶礦石呈碎塊狀，氧化帶以下為原生磁鐵礦，主要為石英磁鐵礦體。礦體呈單斜構(gòu)造，似層狀，如圖1 所示。礦體南部近南北走向，傾向西，傾角約50°～65°;北部走向逐漸轉(zhuǎn)為北偏東25°，傾向北西，傾角上緩下陡(40°～70°)。

根據(jù)礦體賦存條件、礦巖穩(wěn)定性和地表變形控制要求，采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行開(kāi)采。為了便于生產(chǎn)靈活和機(jī)動(dòng)，通常將礦體沿走向劃分成盤(pán)區(qū)，每個(gè)盤(pán)區(qū)之間留設(shè)隔離礦柱有利于控制地壓等，該隔離礦柱在所有中段盤(pán)區(qū)開(kāi)采結(jié)束后進(jìn)行回收。對(duì)于每個(gè)盤(pán)區(qū)，將礦體間隔劃分成2 種類(lèi)型的礦房單元即一步礦房回采單元和二步礦房回采單元，開(kāi)采一步礦房時(shí)，二步礦房作為礦柱用于保證一步開(kāi)采的穩(wěn)定性;一步礦房開(kāi)采結(jié)束后采用全尾砂膠結(jié)充填作為二步礦房的人工礦柱，二步礦房回采結(jié)束后用全尾砂充填。圖2 即為礦房沿礦體走向布置，礦房長(zhǎng)度取半個(gè)盤(pán)區(qū)長(zhǎng)度。

圖2 階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ疽釬ig.2 The stope mining method with stage subsequent backfilling

2 基于Mathews 穩(wěn)定圖法結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

2.1 Mathews 穩(wěn)定圖法

Mathews 穩(wěn)定圖法是由Mathews 等人于1980 年首先提出的用于埋藏1 000 m 以下的硬巖中進(jìn)行礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)的方法［7］。基于Mathews 穩(wěn)定圖法預(yù)測(cè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性是一種經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法，其基本原理是基于NGI 巖體分級(jí)指標(biāo)Q［8］通過(guò)修正后獲得Q1計(jì)算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，綜合考慮礦山開(kāi)拓和采準(zhǔn)工程，初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)并計(jì)算采場(chǎng)暴露面形狀系數(shù)S(或稱(chēng)水力半徑)，將N 和S 值投影到Mathews 穩(wěn)定性圖表上即可初步判斷采場(chǎng)的總體穩(wěn)定性;或者根據(jù)巖體穩(wěn)定指數(shù)N 在穩(wěn)定性圖表上求出總體穩(wěn)定的采場(chǎng)形狀參數(shù)S，在初步選定采場(chǎng)某一結(jié)構(gòu)參數(shù)后即可確定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。關(guān)于Q1、N 以及S 的具體取值參見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。

Mathews 穩(wěn)定圖法最初是為深度大于1 000 m 下采場(chǎng)設(shè)計(jì)服務(wù)的，后續(xù)更多數(shù)據(jù)獲取后(包括1 000 m 以?xún)?nèi))，Mathews 穩(wěn)定圖法得以進(jìn)行了多次修正。本研究采用圖3 所示的Mathews 修正圖［10］。

圖3 Mathews 修正圖Fig.3 Mathews revised method

2.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

(1)Q1指標(biāo)的獲取。本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取表征礦山巖體質(zhì)量的多項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)這些指標(biāo)，計(jì)算工程巖體的RMR 值。應(yīng)用Q與RMR 之間的經(jīng)驗(yàn)公式Q =e(RMR－44)/9進(jìn)行轉(zhuǎn)換［8］，把地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)評(píng)價(jià)評(píng)分RMR 值轉(zhuǎn)化為Q 值，來(lái)近似等同于Q1。由此，得Q1為43.72。

(2)穩(wěn)定性指數(shù)N 的計(jì)算。穩(wěn)定性指數(shù)N =Q1×A×B×C，應(yīng)力系數(shù)A 由礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度和平行于暴露面方向的最大采礦誘導(dǎo)應(yīng)力之比確定。本研究最大采礦誘導(dǎo)應(yīng)力根據(jù)二維橢圓開(kāi)采解析解獲取［11］。最終計(jì)算得到張莊鐵礦的應(yīng)力系數(shù)為0.67。節(jié)理方位修正系數(shù)B 可以根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計(jì)來(lái)確定，根據(jù)B 與節(jié)理傾角的關(guān)系圖，最不利節(jié)理傾角絕大部分區(qū)域均在60°，局部在55°左右，這2 個(gè)角度對(duì)應(yīng)的系數(shù)B 分別為0.8 和0.67。重力修正系數(shù)C 取1。因此，計(jì)算得對(duì)應(yīng)于B 取0.8 和0.67 的穩(wěn)定數(shù)N 分別為23.40 和19.63。

(3)礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)分析。由以上計(jì)算得到的穩(wěn)定性指數(shù)N，通過(guò)修正的Mathews 穩(wěn)定圖，即可求得暴露面水力半徑S。對(duì)應(yīng)的N 的2 個(gè)值的水力半徑分別為9.97 m 和9.30 m。

設(shè)礦房的寬度為W，礦房的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有

設(shè)置不同的頂板寬度W，可根據(jù)水力半徑S 計(jì)算出頂板的暴露面積和長(zhǎng)度L。水力半徑9.30 m 和9.97 m時(shí)的頂板暴露面積和長(zhǎng)度隨頂板寬度的變化趨勢(shì)分別見(jiàn)圖4、圖5 和表1。由圖4、圖5 和表1 可知，當(dāng)?shù)V房跨度在20 m 時(shí)，在不利的情況下，礦房長(zhǎng)度也能達(dá)到266 m。而每個(gè)盤(pán)區(qū)最大的長(zhǎng)度也只是200 m 左右，因此張莊鐵礦采場(chǎng)可沿礦體走向通常布置礦房，寬度不超過(guò)24 m，亦可垂直礦體走向布置，寬度不能超過(guò)20 m。

圖4 礦房參數(shù)關(guān)系圖(S=9.30 m)Fig.4 Diagram of the parameters of stope structure (S=9.30 m)

圖5 礦房參數(shù)關(guān)系圖(S=9.97 m)Fig.5 Diagram of the parameters of stope structure (S=9.97 m)

表1 礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Stope structural parameters m

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

本次研究采用FLAC3D對(duì)張莊鐵礦一盤(pán)區(qū)開(kāi)采進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，該盤(pán)區(qū)礦體厚度平均約132 m，計(jì)算模型如圖6 所示。盤(pán)區(qū)模型的頂部均設(shè)置為應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力值為4.2 MPa;底部為固定邊界條件;其余為對(duì)稱(chēng)邊界條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力測(cè)量，垂直方向的應(yīng)力為自重應(yīng)力，水平沿礦體走向方向和垂直礦體走向方向的側(cè)壓系數(shù)分別為1. 470 和1. 312。

圖6 盤(pán)區(qū)計(jì)算分析模型Fig.6 Panel computational analysis model

模型中盤(pán)區(qū)隔離礦柱的厚度為18 m。考慮鏟運(yùn)機(jī)的要求，采場(chǎng)寬度為16 m 以上，結(jié)合上節(jié)根據(jù)Mathews 方法計(jì)算可知沿礦體走向布置采場(chǎng)的寬度不超過(guò)24m，垂直礦體走向布置采場(chǎng)的寬度不超過(guò)20 m。對(duì)于垂直礦體走向布置礦房，當(dāng)盤(pán)區(qū)布置4 個(gè)礦房時(shí)，將要有75%的充填采用膠結(jié)充填;而當(dāng)盤(pán)區(qū)為5 個(gè)礦房布置時(shí)，則有60%采用膠結(jié)充填。從成本角度來(lái)講，推薦5 礦房布置。因此計(jì)算分析了表2所列出的6 種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 盤(pán)區(qū)采場(chǎng)布置形式Table 2 Stope panel layout

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 礦柱圍巖應(yīng)力集中

以采場(chǎng)開(kāi)采結(jié)束后礦柱和頂板的最大主應(yīng)力的大小反映開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力集中情況，盤(pán)區(qū)每步回采結(jié)束后頂板和礦柱的最大主應(yīng)力值見(jiàn)表3。從該表中可以看出采用第1 種垂直礦體走向采場(chǎng)布置形式進(jìn)行礦體回采，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中未開(kāi)采的礦柱和頂板的最大主應(yīng)力的極大值均值分別為57.0、60.6 MPa，為6 種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置方案中的最小值。由此可見(jiàn)，從對(duì)應(yīng)力集中控制的角度，垂直走向布置采場(chǎng)要優(yōu)于沿走向布置采場(chǎng)。

表3 盤(pán)區(qū)開(kāi)采過(guò)程中礦體和頂板的最大主應(yīng)力極值Table 3 The maximum principal stress extremes of the ore body and roof in the process of mining MPa

3.2.2 頂板位移

盤(pán)區(qū)不同采場(chǎng)布置形式每一步開(kāi)采后頂板的垂直沉降見(jiàn)圖7 所示。頂板的最大位移隨著開(kāi)采的進(jìn)行不斷增大，且不同的采場(chǎng)布置形式在盤(pán)區(qū)開(kāi)采結(jié)束后最大的垂直沉降約為70 mm。在回采進(jìn)度小于0.5 時(shí)開(kāi)采一步礦房，各種采場(chǎng)布置形式的沉降曲線(xiàn)基本重合。在開(kāi)采二步礦房時(shí)，采場(chǎng)布置形式1 的沉降曲線(xiàn)和X 軸形成面積最小，因此這里認(rèn)為采場(chǎng)布置形式1，及垂直礦體走向布置采場(chǎng)回采時(shí)對(duì)頂板位移控制相對(duì)較好。

3.2.3 塑性區(qū)分布

圖7 頂板最大位移隨開(kāi)采進(jìn)度的變化Fig.7 Variation of maximum roof displacement with the mining progress

不同采場(chǎng)布置形式中每個(gè)采場(chǎng)開(kāi)采后采場(chǎng)周壁塑性區(qū)面積占整個(gè)周壁面積的百分比見(jiàn)表4。從表4可以看出:采場(chǎng)布置形式1 時(shí)，在每步開(kāi)采的過(guò)程后，塑性區(qū)面積的百分比均值為7.95%，為6 種采場(chǎng)布置形式里面的最優(yōu)值。此外，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中各步礦體回收后塑性區(qū)面積百分比變化不大，采場(chǎng)垂直礦體走向布置標(biāo)準(zhǔn)差為1.67%，也是所有開(kāi)采方案里面的最優(yōu)值。

表4 采場(chǎng)回采結(jié)束后周壁塑性區(qū)面積的百分比Table 4 The percentage of plastic zone area at walls after the end of the stope mining %

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)Mathews 穩(wěn)定圖法，礦體走向布置采場(chǎng)的寬度不超過(guò)24 m，垂直礦體走向布置采場(chǎng)的寬度不超過(guò)20 m。

(2)通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算6 種采場(chǎng)布置形式，從采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中對(duì)應(yīng)力集中、頂板位移和塑性控制這3 個(gè)方面來(lái)看，垂直礦體走向布置，寬度為16.4 m 的采場(chǎng)布置形式要好于其他沿礦體走向布置形式，因此推薦這種采場(chǎng)布置形式。

(3)采用Mathews 穩(wěn)定圖法以及FLAC3D數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，利用Mathews 法初步選定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，而后利用FLAC3D對(duì)初選方案進(jìn)行比選獲取最佳的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，由此克服單一方法的缺點(diǎn)。

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