深部大規(guī)模開采巖體穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

李占金 郝家旺 孫文誠 楊美宏

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；3.承德市天寶礦業(yè)集團(tuán)；河北 承德 067000)

深部資源開采受“三高一擾動(dòng)”的影響，導(dǎo)致圍巖呈現(xiàn)非線性力學(xué)性質(zhì)，諸如不同于淺部開采過程的空區(qū)塌陷、巖爆、突水等事故難以有效解決，這將會(huì)嚴(yán)重阻礙礦山規(guī)模化的發(fā)展，因此深部圍巖長期穩(wěn)定性研究是采礦開采理論的前沿方向之一[1-3]。而在維護(hù)深部采場(chǎng)穩(wěn)定性、控制地壓以及預(yù)防巖爆方面，充填采礦法具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。研究表明數(shù)值模擬可以把握巖體的力學(xué)性質(zhì)，直觀準(zhǔn)確反映深部巖石力學(xué)的變化，其分析結(jié)果可以指導(dǎo)工程實(shí)踐[5-6]。國內(nèi)利用數(shù)值模擬方法研究該類性質(zhì)也取得了豐碩成果：李占金等[7]通過對(duì)魯?shù)罔F礦應(yīng)用充填時(shí)不接頂方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析其新方案進(jìn)路應(yīng)力和位移等值區(qū)域，結(jié)果表明該方案可以有效地提高采礦出礦的效率；甘德清等[8]基于數(shù)值模擬軟件對(duì)司家營鐵礦3#盤區(qū)提出了2種回采方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算，選出了采場(chǎng)安全性較好的回采方案；胡麗珍等[9]通過對(duì)某礦采用的上向分層充填法建立數(shù)值模擬，研究了在水巖耦合條件對(duì)于地表沉降的影響，得出了從采區(qū)到地面，沉降量不斷增大的結(jié)論。

馬城鐵礦屬于深部大規(guī)模開采礦山，其礦體埋藏深，地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)礦體的厚度、傾角和夾石情況，數(shù)值模擬方案決定采用兩步回采及充填方案。使用FLAC3D對(duì)馬城鐵礦V礦體回采和充填前后采場(chǎng)圍巖與充填體穩(wěn)定性、圍巖破壞特征以及應(yīng)力、位移變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在回采卸荷擾動(dòng)作用下，圍巖與充填體的穩(wěn)定性，以期為馬城鐵礦的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)建議。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)特征及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

馬城鐵礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模2 500萬t/a，是國內(nèi)特大型地下開采礦山。該鐵礦Ⅴ號(hào)礦體屬于鞍山式沉積變質(zhì)貧鐵礦床，是礦區(qū)里資源儲(chǔ)量最多的一條礦體，礦體賦存標(biāo)高-47～-1 404 m。礦體傾角大于40°，傾向?yàn)槟衔鳎善叫械?層礦體組成，上層礦平均水平厚度110 m，下層礦水平厚度小于70 m，并且在深部合并為一條礦體，中間夾石的數(shù)量隨礦體賦存深度的增加而減少。

Ⅴ號(hào)礦體選用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。開采最深到-900 m，設(shè)計(jì)為高階段、大采場(chǎng)，按采場(chǎng)長軸垂直礦體走向方向和沿礦體走向方向劃分采場(chǎng)。礦體上層礦盤區(qū)長度為108 m，其下盤三角部位沿礦體垂直走向方向布置采場(chǎng)，礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)為高度60 m，寬度18 m，長度不大于70 m；盤區(qū)里剩余的厚大礦體的采場(chǎng)平行走向布置，每個(gè)采場(chǎng)寬度也是18 m。采用大直徑深孔爆破落礦，采場(chǎng)圍巖在開挖卸荷和爆炸沖擊荷載多步擾動(dòng)作用下，巖體中的應(yīng)力集中、變形產(chǎn)生擾動(dòng)能量，在高應(yīng)力、大暴露面積條件下易誘發(fā)巖爆。V號(hào)礦體布置形式見圖1。

1.2 礦巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《GB/T50266—99 工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，分別制作了6個(gè)尺寸為φ50 mm×100 mm及6個(gè)φ50 mm×50 mm的混合花崗巖試塊和礦體試件，使用TAW-300三軸實(shí)驗(yàn)壓力機(jī)，分別進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及劈裂實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，得到基本力學(xué)參數(shù)如表1(充填體實(shí)驗(yàn)類似)。

圖1 采場(chǎng)布置圖(單位：m)Fig.1 Stope layout drawing

圖2 圍巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)Fig.2 Mechanical test of surrounding rocks

表1 基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2 數(shù)值模擬的構(gòu)建及模擬方案

2.1 模型構(gòu)建

本次針對(duì)上層沿走向礦體進(jìn)行圍巖與充填體數(shù)值模擬，選用摩爾-庫倫模型作為本構(gòu)模型，在V號(hào)礦體-900 ～-540 m的范圍內(nèi)。上層礦的階段高度為60 m，寬度為110 m。所模擬尺寸的X方向?yàn)?40 m，Y方向500 m，Z方向?yàn)?60 m，如圖3。

圖3 三維實(shí)體模型Fig.3 3-dimensial model

2.2 模擬方案

對(duì)V號(hào)礦體分步開挖回采，隔一采一，同時(shí)分兩步充填，先進(jìn)行膠結(jié)充填，再進(jìn)行尾砂充填。采場(chǎng)長寬高為110 m×18 m×60 m，用沿礦體走向和垂直礦體走向布置采場(chǎng)，如圖4所示。上層礦的下盤三角礦體以及下層礦體用垂直礦體走向采場(chǎng)回收，上層礦體用沿礦體走向采場(chǎng)回收。

3 數(shù)值模擬分析

為了便于對(duì)上層礦體模型各個(gè)計(jì)算參數(shù)的提取與變形的觀測(cè)，將模型進(jìn)行切片處理，根據(jù)切片處理的結(jié)果，從3個(gè)角度進(jìn)行分析如下。

3.1 應(yīng)力分析

提取礦體分步回采與模型Z方向應(yīng)力云圖的計(jì)算結(jié)果，見圖5所示。一步回采后，礦柱底部和頂板處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)36.45 MPa的最大壓應(yīng)力和14.67 MPa的最大拉應(yīng)力；二步回采后，應(yīng)力集中分布在底板與頂板處，最大應(yīng)力達(dá)69.35 MPa，部分圍巖處于失穩(wěn)。一步膠結(jié)充填后，經(jīng)充填體的作用，側(cè)幫與頂板處出現(xiàn)32.3 MPa的應(yīng)力值，膠結(jié)充填體初始狀態(tài)下其自身的強(qiáng)度和自重使得礦房和礦柱的穩(wěn)定性在一定程度上得以增加，恢復(fù)了采場(chǎng)圍巖三維受力狀態(tài)，起到了抑制底鼓和礦房頂板沉降的作用；二步尾砂充填后，應(yīng)力重新分布，使得尾砂充填體、膠結(jié)充填礦柱及其圍巖共同協(xié)調(diào)承載，礦柱及圍巖受力趨向均勻化分布，保證了采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

圖4 礦體回采及充填步驟圖Fig.4 Mining and filling sequence diagram

圖5 Z方向應(yīng)力云圖Fig.5 Z-direction stress cloud

3.2 位移分析

提取礦體回采的頂板最大沉降位移隨礦體回采及充填的計(jì)算結(jié)果及豎直位移云圖，如圖6所示。一步回采后，礦房上部的沉降和底部底鼓現(xiàn)象明顯，頂板處出現(xiàn)2.26 cm的最大沉降位移，底部出現(xiàn)1.96 cm的最大底鼓位移；二步回采時(shí)，可以看到側(cè)幫有15.01 cm位移出現(xiàn)，原因是由于充填體抗拉強(qiáng)度較小，相對(duì)于頂板垮塌與底鼓，更容易出現(xiàn)側(cè)幫破壞。礦房逐步回采后，礦體下層與右側(cè)圍巖的底鼓現(xiàn)象明顯(底鼓最大可達(dá)4.75 cm)，隨著礦房的分步回采與充填后，采場(chǎng)的最大底鼓位移逐步增大。一步膠結(jié)充填后，充填體一定程度上起到了抑制底鼓和礦房頂板沉降的作用，由于膠結(jié)充填體充當(dāng)?shù)V柱作用，導(dǎo)致其位移變化明顯；二步尾砂充填后，最大沉降位移與之前相比基本不變，說明充填體較好地維護(hù)了采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。

圖6 Z方向位移云圖Fig.6 Z-direction displacement cloud

3.3 塑性區(qū)分析

圖7為礦房的塑性區(qū)模擬結(jié)果。根據(jù)圖7得出，礦房一步回采后，在礦房底板的位置，出現(xiàn)了有規(guī)律分布的塑性區(qū)，大部分的破壞方式為拉伸破壞；二步回采后，深部礦房頂?shù)装逅苄詤^(qū)明顯增大。一步膠結(jié)充填后，充填體出現(xiàn)了拉伸和剪切破壞的區(qū)域；經(jīng)過尾砂充填后，尾砂充填體周圍的塑性區(qū)沒有繼續(xù)增大，充填體進(jìn)一步抑制了采空區(qū)塑性區(qū)的發(fā)展。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic distribution maps

4 工程應(yīng)用效果分析

根據(jù)本研究所得到的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采及充填順序，選取了現(xiàn)場(chǎng)Ⅴ號(hào)礦體上層礦盤區(qū)為試驗(yàn)礦塊，采用間隔相鄰礦塊二步回采，采場(chǎng)寬度18 m、采場(chǎng)長度30 m、高度30 m。一步回采充填料漿灰砂比1∶6，二步回采充填料漿灰砂比1∶12，采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采、充填效果來看，一步充填工作后，充填體穩(wěn)定性較好，充填過程圖片見圖8(a)，充填體強(qiáng)度達(dá)到了5 MPa左右，為相鄰二步礦塊回采起到了較好的支撐作用。二步回采過程中采場(chǎng)頂板圍巖總體上穩(wěn)定性中等，局部出現(xiàn)了掉塊、小范圍冒頂，鄰幫充填體局部出現(xiàn)零星脫落，總體穩(wěn)定性較好(二步回采充填后的采場(chǎng)見圖8(b))。試驗(yàn)礦塊回采充填效果表明：該技術(shù)方案充填體對(duì)采場(chǎng)圍巖起到了較好的支撐作用，采場(chǎng)穩(wěn)定性控制效果較為理想，方案可靠性較高。

圖8 工程應(yīng)用效果Fig.8 Engineering application effect

5 結(jié) 論

(1)確定了對(duì)V號(hào)礦體分步開挖回采，隔一采一的回采順序，然后再分別進(jìn)行膠結(jié)與尾砂充填的充填順序。該回采與充填順序可以有效地控制空區(qū)圍巖破壞，恢復(fù)采場(chǎng)圍巖三維受力狀態(tài)。

(2)一步回采后，礦房出現(xiàn)頂板下沉和底板上鼓現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到36.45 MPa，說明深部高應(yīng)力條件下大采場(chǎng)回采，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，采場(chǎng)圍巖局部出現(xiàn)塑性破壞；二步回采時(shí)，由于巖層受到前一步回采擾動(dòng)，導(dǎo)致采場(chǎng)暴露面積加大，原巖應(yīng)力狀態(tài)急劇變化，使礦柱位置應(yīng)力集中加劇，最大集中應(yīng)力達(dá)到69.35 MPa，頂板最大位移15.01 cm，采場(chǎng)部分圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)。因此礦山企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)測(cè)、地應(yīng)力變化特征、充填體強(qiáng)度變化等監(jiān)測(cè)工作，以確保井下安全生產(chǎn)。

(3)一步回采膠結(jié)充填后，膠結(jié)充填體在一定程度上恢復(fù)了圍巖三向受力狀態(tài)，礦房頂?shù)装鍛?yīng)力集中程度減弱；二步回采尾砂充填后，充填體進(jìn)一步抑制了空區(qū)塑性區(qū)的發(fā)展，圍巖受力分布相對(duì)均勻，頂?shù)装遄冃蔚玫搅擞行Э刂疲ＷC了深部大采場(chǎng)開采的安全性和可靠性。現(xiàn)場(chǎng)施工中，可采用灰砂比1∶4～1∶6的充填體，以保證后續(xù)二步開挖采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。

(4)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用表明，采用該方案確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)及二步回采順序確定的灰砂比，可保證采場(chǎng)回采的穩(wěn)定性，從而驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的可靠性。

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