羅河鐵礦二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

郟　威　何曉文

(安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

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羅河鐵礦二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

郟威何曉文

(安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要為了保證羅河鐵礦二步采場(chǎng)生產(chǎn)能力和安全性，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同參數(shù)的二步采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲得安全合理的采場(chǎng)參數(shù)。通過(guò)分析開(kāi)采過(guò)程中各參數(shù)采場(chǎng)頂板的應(yīng)力和位移變化特征，結(jié)合頂板應(yīng)力與位移分布云圖，得出各參數(shù)采場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定情況。結(jié)果表明，當(dāng)采場(chǎng)寬度為19～20 m時(shí)，采場(chǎng)頂板的最大拉應(yīng)力值超出其自身的極限抗拉強(qiáng)度，且拉應(yīng)力的分布區(qū)域占頂板的90%，同時(shí)頂板最大位移量達(dá)40 mm，頂板易發(fā)生拉伸破壞而產(chǎn)生冒頂或垮塌危險(xiǎn)。建議二步采場(chǎng)寬18 m，高15 m。

關(guān)鍵詞二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬

隨著采礦裝備和采礦技術(shù)的迅速發(fā)展，高分段充填采礦法在黑色金屬礦山得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力，降低采礦成本，礦山一般分兩步驟回采，即先采礦房后采礦柱。一步礦房?jī)蓚?cè)為原巖，生產(chǎn)能力大，作業(yè)環(huán)境安全，而二步礦柱受采場(chǎng)集中應(yīng)力作用、爆破振動(dòng)破壞、礦體完整性和強(qiáng)度降低等因素影響，加大了開(kāi)采難度，同時(shí)二步礦柱采場(chǎng)兩側(cè)為充填體，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原巖強(qiáng)度，使二步礦柱開(kāi)采的穩(wěn)定性大幅降低，嚴(yán)重威脅采場(chǎng)的作業(yè)安全[2]。因此，二步礦柱與一步礦房的開(kāi)采環(huán)境相差較大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)選分析，從而保證二步礦柱安全高效開(kāi)采。

1工程背景

羅河鐵礦是大型地下礦山，礦體呈似層狀、平緩?fù)哥R狀[3]。礦體埋藏在-382～-846 m，傾伏角為3°～12°，東淺西深，距地表最淺425 m，最深856 m；礦床西邊緣由于受F001斷層影響，深達(dá)910 m。鐵礦體共有8個(gè)，其中Ⅰ#、Ⅱ#為主礦體，礦體厚大，空間形態(tài)復(fù)雜，礦區(qū)范圍廣，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育。

羅河鐵礦地表設(shè)施復(fù)雜，有村莊、公路、河塘、農(nóng)田等，礦區(qū)東側(cè)有合肥到銅陵的高速公路，北部有河塘等，地表第四系厚度中等，礦體上方有含水豐富的次生石英巖巖體，局部區(qū)域有硬石膏礦等[3]。因此，根據(jù)各區(qū)段礦體的賦存條件，Ⅱ縱勘探線以北礦體大部分適合采用垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，邊角部分采用點(diǎn)柱上向分層充填法或中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法；Ⅱ縱勘探線以南礦體大部分適合采用中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，邊角部分采用點(diǎn)柱上向分層充填法。本文針對(duì)Ⅱ縱勘探線以南礦體中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V中二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

2二步采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1巖石力學(xué)參數(shù)

磁鐵礦體主要賦存在膏灰?guī)r與堿性長(zhǎng)石巖中。礦區(qū)發(fā)育的巖體主要為凝灰質(zhì)粉砂巖、粗安巖、凝灰?guī)r、次生石英巖、硬石膏礦、膏灰?guī)r、堿性長(zhǎng)石巖、蝕變粗安巖及復(fù)屑細(xì)火山角礫巖等。礦體上部巖體性質(zhì)變化較大，巖塊強(qiáng)度較高，裂隙發(fā)育，局部受高嶺土化、綠泥石化影響，致使巖石結(jié)構(gòu)松軟，強(qiáng)度降低。礦體底板一般為較致密堅(jiān)硬的堿性長(zhǎng)石巖、膏灰?guī)r，裂隙不發(fā)育，巖心完整。通過(guò)對(duì)礦區(qū)巖體工程地質(zhì)調(diào)查、上下盤巖石取樣測(cè)試及充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，得出礦區(qū)巖體和充填體力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1　礦巖與充填體物理力學(xué)參數(shù)

2.2采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

通過(guò)分析對(duì)比國(guó)內(nèi)采用上向進(jìn)路充填采礦法的相關(guān)礦山經(jīng)驗(yàn)和參照目前羅河鐵礦開(kāi)采的實(shí)際情況，采場(chǎng)模擬選擇一步采場(chǎng)寬20 m，采場(chǎng)高15 m。

為了確定二步采場(chǎng)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)羅河鐵礦分段充填采礦法開(kāi)采特點(diǎn)與一步采場(chǎng)開(kāi)采的穩(wěn)定情況，二步采場(chǎng)寬取16，18，20 m，具體模擬方案見(jiàn)表2。

表2　進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

2.3計(jì)算模型建立

參照現(xiàn)有采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮4～5倍開(kāi)挖直徑為其影響區(qū)域，即采場(chǎng)圍巖范圍。因此，模型分為4個(gè)部分，分別是采場(chǎng)上覆荷載、一步采場(chǎng)充填體、采場(chǎng)礦體及采場(chǎng)底板，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2.4數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

研究表明，二步采場(chǎng)頂板主要有2種破壞形式[4]：一是上部荷載作用較大而發(fā)生較大變形及破壞；二是開(kāi)采后頂板拉應(yīng)力超出其自身極限抗拉強(qiáng)度而發(fā)生拉伸破壞。本文主要分析不同跨度二步采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中頂板的位移和應(yīng)力變化，從而優(yōu)選出合理的采場(chǎng)參數(shù)。

圖1　進(jìn)路計(jì)算模型

2.4.1應(yīng)力分析

不同跨度的二步采場(chǎng)頂板應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2。可知，當(dāng)采場(chǎng)跨度為16 m時(shí)，采場(chǎng)頂板的中部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，且其分布區(qū)域較少；當(dāng)采場(chǎng)跨度為18 m時(shí)，采場(chǎng)頂板出現(xiàn)明顯的最大拉應(yīng)力區(qū)，且其分布區(qū)域占采場(chǎng)頂板的30%；當(dāng)采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，采場(chǎng)頂板的最大拉應(yīng)力區(qū)非常明顯，且其分布區(qū)域占采場(chǎng)頂板的90%，采場(chǎng)頂板的巖石將發(fā)生拉伸破壞，頂板垮塌或冒頂，嚴(yán)重威脅采場(chǎng)安全。

圖2　各方案二步采場(chǎng)頂板應(yīng)力云圖

不同跨度的二步采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中頂板應(yīng)力變化見(jiàn)圖3。可知，隨著二步采場(chǎng)跨度的逐漸增大，頂板最大拉應(yīng)力也逐漸增大，且頂板最大拉應(yīng)力的變化率逐漸變大，當(dāng)采場(chǎng)寬度由16 m變?yōu)?8 m時(shí)，其增幅為0.11 MPa/m；當(dāng)采場(chǎng)寬度由18 m變?yōu)?0 m時(shí)，其增幅為0.23 MPa/m；當(dāng)采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力為2.61 MPa，超出了頂板極限抗拉強(qiáng)度，頂板易發(fā)生拉伸破壞而威脅采場(chǎng)安全。

圖3　各方案采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力變化特征

2.4.2位移分析

不同跨度的二步采場(chǎng)頂板位移云圖見(jiàn)圖4。可知，當(dāng)采場(chǎng)跨度為16m時(shí)，頂板中部最大位移量為20mm，其分布區(qū)域在采場(chǎng)頂板較少；當(dāng)采場(chǎng)跨度為18m時(shí)，頂板最大位移量為28mm，其分布區(qū)域覆蓋采場(chǎng)頂板，沉降均勻；當(dāng)采場(chǎng)跨度為20m時(shí)，頂板最大位移量為40mm，其分布區(qū)域占采場(chǎng)寬度的1.8倍，采場(chǎng)頂板與圍巖均產(chǎn)生變形，巖石易脫離而導(dǎo)致頂板垮塌或冒頂，對(duì)采場(chǎng)安全生產(chǎn)造成威脅。同時(shí)，采場(chǎng)底部出現(xiàn)較為明顯的底鼓，但其底鼓的位移量較小，對(duì)生產(chǎn)安全的影響較小。

不同跨度的二步采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中頂板位移變化見(jiàn)圖5。可知，隨著二步采場(chǎng)跨度的逐漸增大，頂板最大位移量也逐漸增大，且頂板位移的變化率逐漸變大，當(dāng)采場(chǎng)寬度由16 m變?yōu)?8 m時(shí)，頂板位移量增幅為4 mm/m；當(dāng)采場(chǎng)寬度由18 m變?yōu)?0 m時(shí)，頂板位移量增幅為6 mm/m；當(dāng)采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，采場(chǎng)頂板最大位移量達(dá)40 mm。根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知[5]，當(dāng)采場(chǎng)寬度較大時(shí)，采場(chǎng)頂板的位移量接近或超過(guò)50 mm時(shí)，其自身穩(wěn)定性較差。

圖4　各方案采場(chǎng)頂板位移云圖

圖5　各方案采場(chǎng)頂板最大位移變化特征

3結(jié)論

(1)從應(yīng)力分析結(jié)果可知，二步采場(chǎng)頂板的拉應(yīng)力及其變化率呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，且當(dāng)二步采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，頂板最大拉應(yīng)力達(dá)2.61 MPa，超出了其自身極限抗拉強(qiáng)度，且其分布區(qū)域占采場(chǎng)頂板的90%，頂板易發(fā)生拉伸破壞而導(dǎo)致采場(chǎng)安全性差。

(2)從位移分析結(jié)果可知，二步采場(chǎng)頂板的位移量及其變化率呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，且當(dāng)二步采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，頂板最大位移量達(dá)40 mm，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判別，采場(chǎng)頂板易出現(xiàn)局部冒落，自穩(wěn)性較差。

(3)綜合考慮礦山采場(chǎng)生產(chǎn)能力和安全性要求，建議二步采場(chǎng)跨度為18 m，高度為15 m。

參考文獻(xiàn)

[1]古德生,李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開(kāi)采科學(xué)技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[2]劉志義,侯金亮,趙國(guó)彥,等.二步采場(chǎng)上盤圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用[J].金屬礦山,2015(11):143-148.

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[4]劉志義,張麗春,趙國(guó)彥,等.基于FLAC3D的二步采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用[J].金屬礦山,2015(10):6-10.

[5]周碧輝.四川漢源高品質(zhì)石膏礦低貧化地下開(kāi)采研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2014.

(收稿日期2016-02-29)

郟威(1988—),男,助理工程師,231562 安徽省廬江縣。