羊拉銅礦空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化

尹仕湘 牛向東 侯克鵬

(1.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司；3.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院)

礦山工程的穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，貫穿于礦山生產(chǎn)與建設(shè)的始終，在礦山基建階段就可能出現(xiàn)巷道變形、塌方、冒頂，在礦山生產(chǎn)階段則可能出現(xiàn)礦柱破壞、采場(chǎng)失穩(wěn)[1-3]。影響采礦工程穩(wěn)定性的因素很多，而巖石和支護(hù)材料的力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)及工程的施工方法是主要影響因素。在相同原巖應(yīng)力及巖體強(qiáng)度參數(shù)下，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的采場(chǎng)圍巖及礦柱的應(yīng)力和位移分布狀態(tài)也不相同，直接影響到采場(chǎng)的穩(wěn)定[4-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者針對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了許多相關(guān)的研究工作。陳順滿(mǎn)等[6]基于響應(yīng)面法對(duì)破碎圍巖條件下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，得出采場(chǎng)穩(wěn)定性整體滿(mǎn)意度隨采場(chǎng)高度的增加而降低，隨礦柱直徑、礦柱間距和礦柱排距的增大，呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)。徐帥等[7]基于SOM的深埋厚大礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到采場(chǎng)長(zhǎng)度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響最大，采場(chǎng)高度次之，其他因素影響相對(duì)較小。汪偉等[8]采用FLAC3D對(duì)無(wú)底柱深孔后退式崩礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)彈性力學(xué)小薄板理論分析得到頂板穩(wěn)定性隨采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系，優(yōu)化確定了無(wú)底柱深孔后退式崩礦法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為保證羊拉銅礦里農(nóng)礦段多層礦體安全開(kāi)采，利用3D-σ有限元數(shù)值分析軟件對(duì)里農(nóng)礦段多層礦體不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析研究。

1 礦體賦存條件

羊拉銅礦里農(nóng)礦段為多層緩傾斜中厚礦體，礦體呈上下層產(chǎn)出，且部分地段上下礦體之間的距離較近，礦區(qū)呈現(xiàn)多層礦體互存開(kāi)采現(xiàn)象。里農(nóng)礦段礦體以硫化礦為主，頂板巖性為大理巖，節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面以平直、平滑者為主，產(chǎn)狀與坡體表面近于一致的，以平直、粗糙為特征，絕大多數(shù)節(jié)理由巖屑部分充填；礦體底板巖性為變質(zhì)石英砂巖，節(jié)理發(fā)育，局部密集發(fā)育，巖石破碎，巖體完整性差。

礦區(qū)呈陡峭地形地貌特點(diǎn)，礦體出露地表，采用地下開(kāi)采，針對(duì)礦體的不同產(chǎn)狀，采礦方法主要有底盤(pán)漏斗空?qǐng)龇ā⒎恐ê腿娣ǖ取２煽諈^(qū)離地表較近，地表覆蓋巖石穩(wěn)固性差。對(duì)于這種陡峭地形的多層礦床開(kāi)采，必須維護(hù)上層礦體頂板、礦柱及夾層的穩(wěn)定，否則，必將導(dǎo)致較大規(guī)模的地壓活動(dòng)，造成礦石難以采出，生產(chǎn)能力低下，產(chǎn)生大面積冒頂，地表巖體移動(dòng)，引起地表塌陷、滑坡及大量滾石。因此，要解決的主要巖石力學(xué)問(wèn)題是確定礦體開(kāi)采前后的應(yīng)力和位移及其在開(kāi)采過(guò)程中的變化，優(yōu)化采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為設(shè)計(jì)和施工提供一定的理論依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

空?qǐng)龇ㄊ抢玫V柱支撐頂板，控制其變形破壞。應(yīng)用空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采時(shí)，要使采場(chǎng)處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)，要求礦房跨度不超過(guò)極限值，采場(chǎng)暴露面積不超過(guò)極限暴露面積，同時(shí)還要最大限度地利用采場(chǎng)礦柱的強(qiáng)度。礦房跨度過(guò)大或礦柱尺寸過(guò)小，會(huì)使礦房頂板冒落，礦柱壓壞；礦房跨度過(guò)小或礦柱尺寸過(guò)大，礦房雖很穩(wěn)定，礦柱有足夠的強(qiáng)度，但礦石回收率有明顯降低。因此，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和正確的地壓控制方法，是保證礦房回采安全的前提，能夠最大限度地回收礦石資源。

數(shù)值模擬方法是近幾十年發(fā)展起來(lái)的高效經(jīng)濟(jì)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在我國(guó)礦山開(kāi)采工程中的應(yīng)用越來(lái)越得到人們的重視，已經(jīng)成為礦山巖體力學(xué)必不可少的有效研究措施[9-15]。利用3D-σ數(shù)值模擬計(jì)算軟件，對(duì)羊拉銅礦里農(nóng)礦段的多層礦體地下開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化。

2.1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲得該礦段內(nèi)礦巖的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦巖的物理力學(xué)參數(shù)

注：礦巖物理力學(xué)參數(shù)來(lái)源于《羊拉銅礦高山復(fù)雜礦床安全高效開(kāi)采技術(shù)試驗(yàn)研究》成果。

根據(jù)該礦區(qū)主要礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)和試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮試件的尺寸效應(yīng)、礦巖所處的力學(xué)環(huán)境等因素，基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減，獲得數(shù)值模擬計(jì)算所需物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 折減后羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦巖的物理力學(xué)參數(shù)

由于計(jì)算研究范圍涉及的巖體、礦體均屬于彈塑性材料，模擬計(jì)算采用理想彈塑性模型(莫爾-庫(kù)侖模型)。模型周邊和底面為位移邊界條件，周邊限制水平運(yùn)動(dòng)，底面限制垂直運(yùn)動(dòng)，模型上面為自由邊界。

2.2 幾何模型建立

羊拉銅礦里農(nóng)礦段以緩傾斜薄至中厚礦體為主，采用底盤(pán)漏斗空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采。礦體分盤(pán)區(qū)回采，盤(pán)區(qū)沿礦體走向依次回采，盤(pán)區(qū)間柱寬5 m。每個(gè)盤(pán)區(qū)由沿走向隔離礦柱劃分成上下2個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)隔離礦柱寬5 m，采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m。該礦段三維幾何模型見(jiàn)圖1。

2.3 數(shù)值模擬方案確定

采場(chǎng)允許暴露面積是指導(dǎo)采礦設(shè)計(jì)與礦山生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)頂板允許暴露面積可優(yōu)化采場(chǎng)及盤(pán)區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。巖體的力學(xué)狀態(tài)及變形位移，是評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定條件的依據(jù)。羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦體最大厚度為41.25 m，平均為10.54 m，礦體埋深約250 m。利用卡斯特納方程可得到礦體上覆巖層大理巖塑性區(qū)半徑Rp，即

圖1 羊拉銅礦里農(nóng)礦段盤(pán)區(qū)三維幾何模型(單位:m)

(1)

式中,Rp為開(kāi)挖處塑性區(qū)的半徑，m；R0為開(kāi)挖半徑，m；P0為開(kāi)挖處的上覆巖層垂直自重應(yīng)力，MPa；c為巖體黏聚力，MPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)；L′為開(kāi)采空間跨度，即礦塊沿走向長(zhǎng)度，m；h為開(kāi)采空間高度，m；γ為上覆巖層的容重，N/m3；H為上覆巖層的厚度，m。

利用上述圍巖塑性區(qū)理論計(jì)算出礦體開(kāi)采形成的上覆巖層大理巖塑性區(qū)半徑約57.276 m。根據(jù)表2巖體物理力學(xué)參數(shù)，基于材料力學(xué)梁理論計(jì)算分析可知，在采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m時(shí)，采場(chǎng)最大寬度為45 m。因此，選取采場(chǎng)寬度30,40和50 m進(jìn)行數(shù)值模擬。故根據(jù)采場(chǎng)不同寬度，提出3種模擬計(jì)算方案，方案1為采場(chǎng)寬30 m，采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m，頂板暴露面積為1 200 m2；方案2為采場(chǎng)寬40 m，采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m，頂板暴露面積為1 600 m2；方案3為采場(chǎng)寬50 m，采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m，頂板暴露面積為2 000 m2。

2.4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

空?qǐng)霾傻V法在礦體開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)頂板圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)大小是評(píng)判不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)劣的重要依據(jù)。因此，主要從采場(chǎng)頂板的應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)大小進(jìn)行分析，不同方案計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 3種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的采場(chǎng)頂板應(yīng)力值關(guān)系

圖3 3種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的采場(chǎng)頂板位移量關(guān)系

圖4 3種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的塑性區(qū)分布

由圖2～圖4可知：

(1)方案1采場(chǎng)頂板中央位置處位移量為20.3 cm，頂板最大拉應(yīng)力為1.120 MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中央部位，最大壓應(yīng)力為6.3 MPa，礦體回采后，沿礦體走向和傾向方向，頂板形成應(yīng)力拱。當(dāng)采場(chǎng)寬30 m時(shí)，采場(chǎng)的2個(gè)側(cè)壁頂板出現(xiàn)連續(xù)塑性破壞區(qū)，沿走向應(yīng)力拱拱腳受到破壞，但沿傾向方向，各側(cè)壁未受到破壞，頂板巖層壓力主要由沿傾向方向應(yīng)力拱支撐，采場(chǎng)頂板穩(wěn)定。

(2)方案2采場(chǎng)頂板中央位置處位移量為32.1 cm，頂板最大拉應(yīng)力為1.307 MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中央部位，最大壓應(yīng)力為6.9 MPa。當(dāng)采場(chǎng)寬40 m時(shí)，采場(chǎng)的2個(gè)側(cè)壁頂板出現(xiàn)連續(xù)貫通塑性破壞區(qū)，沿走向方向應(yīng)力拱拱腳受到破壞，但沿傾向方向，側(cè)壁塑性區(qū)基本接近連續(xù)，采場(chǎng)頂板應(yīng)力拱腳受到破壞，說(shuō)明里農(nóng)礦段頂板最大暴露面積應(yīng)在1 600 m2以?xún)?nèi)，此時(shí)采場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)方案3采場(chǎng)頂板中央位置處位移量為58.7cm，頂板最大拉應(yīng)力為2.462MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中央部位，最大壓應(yīng)力為8.2MPa。采場(chǎng)頂板四周出現(xiàn)連續(xù)塑性破壞區(qū)，各邊應(yīng)力拱腳均受到破壞，頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明里農(nóng)礦段頂板暴露面積難以達(dá)到2000m2，采場(chǎng)在此條件下處于不穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)。

通過(guò)比較3種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的頂板應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)可知，方案1采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)頂板應(yīng)力值、位移量和塑性區(qū)都比方案2和方案3小，說(shuō)明采場(chǎng)頂板最為穩(wěn)定，開(kāi)采最為安全，故方案1采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)羊拉銅礦里農(nóng)礦段礦體的開(kāi)采技術(shù)條件以及礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)，采用3D-σ有限元數(shù)值模擬計(jì)算軟件對(duì)3種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬，得出方案1的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為最優(yōu)，即采場(chǎng)寬30 m，采場(chǎng)斜長(zhǎng)40 m。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用方案1采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠有效地控制采場(chǎng)頂板變形及冒落，保證了多層礦體安全高效開(kāi)采。