大團(tuán)山礦床地下開采采場穩(wěn)定性研究

姚道春(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

1 前言

礦山安全是我國礦山生產(chǎn)過程中越來越關(guān)注的問題，其中采場穩(wěn)定性分析對(duì)非煤礦山的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義，是保證礦山企業(yè)高效安全生產(chǎn)的重要手段。由于開挖引起巖體中的應(yīng)力重分布，當(dāng)應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度或者變形過大時(shí)，圍巖發(fā)生失穩(wěn)[1]。目前研究采場失穩(wěn)主要利用彈性理論、彈塑性理論以及數(shù)值模擬等方法[2-6]。礦山開采中巖土工程及其力學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了當(dāng)前尚無法求得巖土工程問題的精確解，因而只能借助其他方法進(jìn)行定性分析。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為一種能有效地分析和模擬巖土受力結(jié)構(gòu)的工程方法。由于獨(dú)特的優(yōu)越性和工程應(yīng)用背景，已具有一定的可靠性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，大團(tuán)山礦段39線破碎帶以南-580m以上1至5盤區(qū)充填回采已經(jīng)基本結(jié)束,-580m以下4盤區(qū)和5盤區(qū)已經(jīng)開始回采，但僅4、5盤區(qū)礦體較厚大，其他盤區(qū)礦體相對(duì)較小。為保證未來幾年大團(tuán)山礦段產(chǎn)量的接續(xù)，有必要對(duì)39線破碎帶以北的礦體進(jìn)行回采。根據(jù)以往大盤區(qū)開采的經(jīng)驗(yàn)，大盤區(qū)開采面臨開采范圍大，地壓管理困難等問題，鑒于39線以北含破碎帶，圍巖情況較以往復(fù)雜，且開采高度從-520m一直到-670m，較以往39線以南盤區(qū)采場的高度更高。因此，為確保39線以北礦體能安全回采，對(duì)前期所確定的開采方案有必要進(jìn)行采場穩(wěn)定性研究。以目前的回采現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，采用Mohr- Coulomb本構(gòu)模型，對(duì)39線以北的回采方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果，對(duì)采場尺寸、回采順序等進(jìn)行合理的優(yōu)化，以便為該礦床的高效、安全回采提供指導(dǎo)。

2 數(shù)值分析方案

2.1 方案分析

根據(jù)已有地質(zhì)勘探資料以及類似礦山破碎礦體的開采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大團(tuán)山生產(chǎn)現(xiàn)狀，首先回采破碎帶區(qū)域。現(xiàn)有勘探結(jié)果表明破碎帶有一定強(qiáng)度，基于類似破碎帶工程支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施的情況下，可將45～50m破碎帶視為一個(gè)盤區(qū)并采用下向大孔進(jìn)行回采。破碎帶以北礦體沿走向長度約為130～150m，須劃分為多個(gè)采(盤)區(qū)進(jìn)行開采。通過以上礦體賦存特點(diǎn)，現(xiàn)采用以下兩種方案進(jìn)行研究。

方案1：破碎帶區(qū)域劃分一個(gè)盤區(qū)進(jìn)行回采，根據(jù)破碎帶平面分布范圍，破碎帶采場寬度需45～50m，-610m以上為50m(布置切割工程需要)，以下為45m。根據(jù)礦體賦存形態(tài)，為減少空區(qū)頂板斜長，在-610m保留部分垂直礦柱，分隔成-520～-610m及-610～-670m兩個(gè)部分，分別以-610m及-670m為出礦水平。其他區(qū)域劃分為1個(gè)30m寬間柱采場及2個(gè)盤區(qū)采場。破碎帶以北開采方案1縱投影如圖1所示，依次分為破碎帶回采單元，北1回采單元，北2礦柱回采單元，北3回采單元。

圖1 破碎帶以北開采方案1縱投影圖

方案2：實(shí)際上，隨著開采的進(jìn)行，應(yīng)力會(huì)向剩下的采場集中，且39線以北未留原生礦柱，故為進(jìn)一步降低盤區(qū)回采的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)適當(dāng)控制盤區(qū)采場跨度。破碎帶以北開采方案2縱投影如圖2所示，45A線以北礦體狹小并逐漸尖滅，故考慮把45A作為盤區(qū)回采邊界，以縮小整個(gè)開采區(qū)域的跨度，同時(shí)，適當(dāng)增大各個(gè)盤區(qū)尺寸，將方案1中的4個(gè)回采單元縮為3個(gè)回采單元，具體依次為破碎帶回采單元，北1回采單元，北2礦柱回采單元。

圖2 破碎帶以北開采方案2縱投影圖

2.2 模擬初始條件

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為一種能有效地分析和模擬巖土受力結(jié)構(gòu)的工程方法。相對(duì)于常規(guī)的巖石力學(xué)分析，它能更真實(shí)的還原現(xiàn)場實(shí)際情況，并能計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力位移分布狀態(tài)以更好指導(dǎo)后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行。

數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計(jì)算模型是否與實(shí)際情況相符合，包括選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算范圍，確定計(jì)算模型的邊界條件，局部結(jié)構(gòu)的簡化處理等。為便于進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)該對(duì)巖體介質(zhì)性質(zhì)及計(jì)算模型等作必要的假設(shè)。

本文主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，主要模擬大團(tuán)山39線以北-670m水平以上礦體的回采。建立模型時(shí)，由于破碎帶走向與礦體走向垂直，無法通過剖面同時(shí)反映。故以各個(gè)勘探線剖面建立礦體模型，以-670m、-640m、-610m、-580m、-520m等平面建立破碎帶模型，然后通過布爾運(yùn)算，建立整體模型。

(2)模型通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)傳遞應(yīng)力、位移等信息，一般將礦巖視為連續(xù)介質(zhì)。為更好的模擬破碎帶情況，將其與周圍礦體、圍巖視為不連續(xù)的介質(zhì)，即破碎帶體與周圍體在接觸面上各自劃分有獨(dú)立網(wǎng)格。

(3)模型Y方向底部為-970m水平，模型在X、Z方向進(jìn)行了一定程度的擴(kuò)展。對(duì)于井下采礦巷道模型中不予體現(xiàn)。模型邊界取距開采空區(qū)尺寸3～5倍的距離，模型實(shí)際尺寸約為長×寬×高=1 750m×800m×1 030m。

(4)各個(gè)采場開挖是一次性完成的。本構(gòu)模型是對(duì)巖土材料性質(zhì)特性的經(jīng)驗(yàn)型描述，模擬時(shí)選用通用的摩爾- 庫倫巖土本構(gòu)模型。本次研究巖體力學(xué)參數(shù)取自以前大團(tuán)山-580m采礦方法研究及-580m盤區(qū)礦柱回采研究中相關(guān)參數(shù)。其中，因破碎帶區(qū)域受膠結(jié)物的影響，強(qiáng)度參差不齊，為簡化計(jì)算，認(rèn)為其強(qiáng)度等同于充填體強(qiáng)度。地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，它是引起采礦工程變形和破壞的根本作用力。為提高計(jì)算精度，地下工程數(shù)值模擬計(jì)算應(yīng)在已知地應(yīng)力的前提下才能進(jìn)行。采用應(yīng)力解除孔壁應(yīng)變法，在大團(tuán)山-460m，-730m水平進(jìn)行過4個(gè)點(diǎn)的測(cè)試。由于礦區(qū)地應(yīng)力觀測(cè)值有限，本次測(cè)試假定模型表面的地應(yīng)力大小是按深度等差分布，在各點(diǎn)與地表之間進(jìn)行應(yīng)力插值計(jì)算，則計(jì)算模型區(qū)域內(nèi)應(yīng)力值見表1。數(shù)值模擬中一般采用施加一定的邊界條件去代替模型外受采動(dòng)影響外的原始介質(zhì)。本測(cè)試計(jì)算模型上表面邊界的采用自由邊界，底面采用固定約束，x、z方向邊界施加鉸支約束，固定以上邊界的位移和速度。

表1 -460m、-730m水平初始應(yīng)力情況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 方案1與方案2對(duì)比分析

為簡化研究過程，方案1與方案2均采用二步驟回采來進(jìn)行模擬。方案1先同時(shí)回采破碎帶單元-610m水平采場與北2回采單元(30m盤區(qū)間柱)-640m水平采場，再采破碎帶回采單元的下部-670m水平采場，膠結(jié)充填完畢后進(jìn)入北1回采單元與北2回采單元回采。方案2先同時(shí)回采破碎帶單元-610m水平采場與北2回采單元(-640m水平采場)，再采破碎帶-670m水平采場。充填完畢后進(jìn)入北1單元回采。

1)破碎帶回采單元(一步驟)分析

圖3、圖4所示分別為方案1與方案2破碎帶-610m水平采場最大主應(yīng)力剖面云圖，從以上云圖可知，兩方案拉應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，僅極值稍有差別。拉應(yīng)力區(qū)主要分布在空區(qū)上盤圍巖中央處，方案1中，空區(qū)上盤中央處拉應(yīng)力極值約2.67MPa；方案2中，空區(qū)上盤中央處拉應(yīng)力極值約2.63MPa。兩方案在拉應(yīng)力集中區(qū)均有少量塑性區(qū)產(chǎn)生，其他大部分塑性區(qū)均受破碎帶或本身就位于破碎帶中。從以上結(jié)果來看，方案1與方案2的破碎帶采場穩(wěn)定性差別不大。表明若北端采場(北2單元)與破碎帶采場同時(shí)回采，北端采場的尺寸對(duì)破碎帶采場回采的影響較小，即非相鄰其他采場回采對(duì)破碎帶采場穩(wěn)定性影響不大。

圖3 方案1破碎帶上部采場最大主應(yīng)力剖面云圖

圖4 方案2破碎帶上部采場最大主應(yīng)力剖面云圖

2)北2回采單元(一步驟)分析

圖5所示為方案1北2回采單元(30m間柱)43B線剖面塑性區(qū)云圖，圖6所示為方案2北2回采單元(50m采場)45線剖面塑性區(qū)云圖。對(duì)比分析計(jì)算云圖，方案1中30m采場最大拉應(yīng)力達(dá)到了4.3MPa，塑性區(qū)在空區(qū)中央處分布稍密集，其他區(qū)域也有零散分布；方案2中50m寬采場最大拉應(yīng)力約為3.78MPa，空區(qū)頂板中央未見塑性區(qū)分布，僅底板及頂板端部有零散分布。根據(jù)上述結(jié)果，方案1的北2回采單元(膠結(jié)采場)雖然僅約為30m寬，小于方案2北端膠結(jié)采場50m寬，但空區(qū)中央剖面最大拉應(yīng)力與塑性區(qū)反而均比方案2大。這可能也與方案2空區(qū)剖面上盤成自然拱有一定關(guān)系。

圖5 北2間柱回采單元43B線剖面塑性區(qū)云圖

圖6 北2回采單元45線剖面塑性區(qū)云圖

3)北1單元及北3單元(二步驟)分析

對(duì)于方案1中北1回采單元尺寸為50m，其北1回采單元下部-670m水平采場回采時(shí)的塑性區(qū)云圖如圖7所示。上部-610m水平采場回采時(shí)，最大拉應(yīng)力約為4.26MPa；下部-670m水平采場回采時(shí)，最大拉應(yīng)力約為4.29MPa。從塑性區(qū)分布情況來看，兩采場頂板塑性區(qū)均有零散分布，差別不大，但-670m水平采場底板塑性區(qū)分布明顯較多。總體來看，-670m水平采場受力比-610m水平采場差，根據(jù)15m垂直礦柱受力及塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果，垂直礦柱已遭受較為嚴(yán)重的塑性破壞，須進(jìn)一步加大垂直礦柱尺寸，但這些應(yīng)力值及塑性區(qū)在可控范圍內(nèi)，即方案1可以滿足采場穩(wěn)定性要求。

圖7 北1回采單元下部采場中間剖面塑性區(qū)云圖

圖8 北1尾砂上部采場43線剖面塑性區(qū)云圖

方案2中北1回采單元尺寸為63.7m，其北1回采單元上部-610m水平采場回采時(shí)43A剖面的塑性區(qū)云圖如圖8所示。根據(jù)模擬結(jié)果，-670m水平采場回采時(shí)，43線剖面最大拉應(yīng)力約為3.78MPa，43A剖面最大拉應(yīng)力約4.75MPa，拉應(yīng)力區(qū)基本分布在空區(qū)端部至中央處。43線剖面塑性區(qū)僅底板垂直礦柱內(nèi)有零散分布，43A空區(qū)上盤基本無塑性區(qū)，僅空區(qū)端部及垂直礦柱中有零星分布。對(duì)于方案2，二步驟采場北1回采單元中間剖面，拉應(yīng)力極值及塑性區(qū)可控，尤其是塑性區(qū)分布情況要略好于方案1北1回采單元。以上分析結(jié)果表明本方案能滿足采場穩(wěn)定性要求。

4)兩方案結(jié)果對(duì)比

從模擬結(jié)果來看，兩方案若采用二步驟回采，均能滿足采場穩(wěn)定性要求，空區(qū)頂板穩(wěn)定性情況與上盤形狀有一定關(guān)系，但采場保持適度的開采跨度反而有利于采場穩(wěn)定。其中，-670m水平采場受力狀況要差于-610m水平采場，且15m寬垂直礦柱會(huì)出現(xiàn)一定程度的塑性破壞，建議回采從下到上進(jìn)行。兩方案上部采場情況對(duì)比見表2。

表2 兩方案上部采場情況對(duì)比表

3.2 方案2采場回采優(yōu)化研究

方案1與方案2均能滿足采場穩(wěn)定性要求，回采時(shí)，先采深部-670m水平采場，再采-610m水平采場。經(jīng)分析對(duì)比，方案2工藝布置更簡潔合理，回采應(yīng)以方案2單元?jiǎng)澐譃橹鳌４髨F(tuán)山地壓情況較為復(fù)雜，某些情況下，采場尺寸并非越小越好，大采場反而比小采場更穩(wěn)定。故方案2回采尺寸及回采順序有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。經(jīng)考慮，為進(jìn)一步簡化生產(chǎn)工序，減少膠結(jié)充填成本，對(duì)回采順序進(jìn)行調(diào)整：第一采場為破碎帶-670m水平采場，采場45m；第二采場為破碎帶-610m水平采場，采場45m；第三采場為北1回采單元-670m水平采場，采場63.7m；第四采場為北1單元-610m水平采場與北2單元-640m采場，采場113.7m。根據(jù)模擬結(jié)果，第一、二、三均能滿足采場穩(wěn)定性要求。具體采場回采順序如圖9所示，由于篇幅限制，本文僅對(duì)第四采場進(jìn)行分析，研究是否有聯(lián)合開采的可能。

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，圖10、圖11所示分別為北1回采單元-610m采場與北2回采單元-640m采場聯(lián)合開采后(采場113.7m)最大主應(yīng)力與塑性區(qū)云圖。從圖可以看出，空區(qū)上盤塑性破壞區(qū)分布范圍小，拉應(yīng)力區(qū)及塑性區(qū)主要分布在空區(qū)上盤端部及中央處，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)條件。同時(shí)根據(jù)計(jì)算分析，空區(qū)上盤僅有零星塑性區(qū)分布，且中央塑性區(qū)并未出現(xiàn)向周圍大面積擴(kuò)展現(xiàn)象，頂板可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的局部冒落，但頂板整體失穩(wěn)的可能性不大。采取合理的技術(shù)措施的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合開采。

圖9 破碎帶以北采場回采順序

圖10 采場中央剖面最大主應(yīng)力云圖

圖11 采場中央剖面塑性區(qū)云圖

4 結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬采場穩(wěn)定性分析，對(duì)大團(tuán)山破碎帶及以北各個(gè)采場回采順序進(jìn)行優(yōu)化研究，并根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，由模擬選定的方案滿足該礦床開采的采場穩(wěn)定性要求。研究表明：

(1)根據(jù)大團(tuán)山的地質(zhì)條件，其他非相鄰采場尺寸對(duì)破碎帶采場穩(wěn)定性影響不大。

(2)采場尺寸與采場穩(wěn)定性并非簡單的正相關(guān)，按大團(tuán)山現(xiàn)有的力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力場數(shù)據(jù)，采場尺寸并非越小越好，適度的增大開采尺寸反而可以提高采場的穩(wěn)定性。

(3)對(duì)北1單元與北2單元-610m大孔采場進(jìn)行聯(lián)合開采時(shí)，實(shí)際采場變化情況與模擬結(jié)果稍有差別，這是由于數(shù)模模擬空區(qū)是一次性形成的，而實(shí)際開采空區(qū)是逐漸形成的。因此在采用必要的技術(shù)措施的情況下，兩采場聯(lián)合開采仍然可行，但須密切關(guān)注采場地壓活動(dòng)情況，并隨時(shí)根據(jù)地壓活動(dòng)程度調(diào)整回采工作。