厚大破碎礦體采場礦巖冒落規律及影響因素研究

2020-07-14 06:35:20李曉斌勒治華李新成

金屬礦山 2020年6期

李曉斌勒治華樊碩李新成

（1.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

我國金屬礦產資源的特點是規模較小、開采成本較高、市場核心競爭力弱。研究結果表明，大型金屬礦山采礦成本的30%～60%與巖體破碎有關。通過研究礦巖冒落的規律，調控采動應力誘導礦巖自然冒落，實現利用地壓破碎巖體，可大幅度節約采準工程量與落礦費用，由此大幅度降低生產成本并提高生產效率，從而為國內金屬礦山高效開采提供一條新的思路［1］。

近年來，人們逐漸認識到構造應力對采場上覆巖層移動起重要作用。王軍等［2］利用FLAC3D數值模擬軟件、理論分析等方法對不同構造應力場中采空區上覆巖層的破壞規律進行研究，結果表明隨側向應力的增加，上覆巖層塑性區高度和體積先減小后增大；范廣勤等［3］研究了在地應力較高的情況下礦巖冒落區域的軸比（或縱橫比）與原始巖體的應力場的側壓力系數成正相關關系，研究發現，拉底的大小、形狀和布置，以及切幫和預裂工程的存在，都直接影響巖體的崩落。徐臘明［4］利用三維有限元數值模擬程序ADINA模擬了程潮鐵礦拉底和割幫工藝作用下礦體的應力分布，在此基礎上，優選出合理的拉底方案。

影響礦巖可冒性的因素有很多，主要包括礦巖的強度、巖體結構面特征、地應力的相對大小、采場結構參數等，本項目重點研究地應力與采場結構參數對礦巖冒落的影響。為實現借助拉底等工程因素誘導礦巖應力發生改變，利用地壓破碎巖體的目的，就需要深入研究“破碎厚大礦體采場礦巖冒落規律”這一科學問題，這對于合理確定誘導冒落工程，充分利用地壓，實現低成本、高效率采礦，具有重要的理論價值和實際意義。

1 礦巖冒落數值模型

1.1 礦巖冒落的FLAC3D系統

FLAC3D是基于連續介質力學理論的數值分析方法，雖然巖體中會產生塑性區，但巖體不會發生冒落，不能模擬冒落的整個過程。為了模擬礦巖的冒落過程，引入了人為的假定。在FLAC3D數值模型中，如果數值網格的單元位于拉底空間的上部塑性區中，且該單元中存在拉應力，則認為該單元在重力的作用下可以冒落，利用FLAC3D的建模命令，該單元被殺死（“NULL”掉），被NULL掉單元的模型又處于非平衡狀態，再次進行迭代計算，計算平衡后如果塑性區內依然有拉應力單元，則重復該過程，直至模型中不再出現拉應力區、平衡為止，計算停止。以此來近似模擬礦巖冒落過程。在計算過程中很難做到塑性區內完全不存在拉應力，所以在塑性區內基本無拉應力即可將計算停止。具體計算步驟如圖1。

1.2 礦巖冒落本構關系

研究表明，利用自然崩落法開采礦石時，礦巖冒落以拉伸破壞為主，因此采用拉伸準則描述冒落礦巖。實際上，利用自然崩落法開采礦巖體質量均稍差，在冒落過程中采場邊幫圍巖也會發生剪切破壞，但由于堆積在采場內的冒落礦巖散體支撐作用，往往導致剪切片幫破壞并不明顯。但采用FLAC3D模擬時并不能考慮該作用，因此選用基于摩爾—庫倫準則的理想彈塑性模型描述采場圍巖，圍巖可以發生屈服，但并不降低承載力［7］。在兩個準則中，拉伸準則優先。

實際上，到目前為止，還沒有一種數值模擬方法，可以完整地模擬礦巖冒落、堆積、并對采場邊幫起到支撐作用的全過程。本研究利用FLAC3D模擬礦巖冒落也是在一些假定條件下實現的。

（1）拉伸破壞準則

式中，σ3、σt分別為巖體受到的拉應力與巖體的單軸抗拉強度。

（2）摩爾—庫倫破壞準則

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應力；c、φ分別為黏聚力和內摩擦角。當fs＞0時，材料將發生剪切破壞。

1.3 數值計算模型與參數

由冒落拱理論可知，礦體埋藏深度、側應力以及冒落拱跨度等因素是影響礦巖冒落高度的重要因素。基于上述FLAC3D的數值模擬方法和礦巖本構關系，對不同埋藏深度、不同側壓力系數、拉底形態及采場尺寸參數條件下的礦巖冒落規律進行了數值模擬研究。各種工況條件的數值計算模型略有不同，現以礦體埋藏深度對礦巖冒落的影響為例，簡要介紹其數值計算模型以及礦、巖參數。建立三維數值模型如圖2所示，數值模型長300 m，寬150 m，高350 m。模型共分3個部分，分組1為圍巖部分、分組2為礦體部分，分組3為拉底部分。礦體部分長100 m，寬50 m，高100 m。礦體部分的底部距離模型底部50 m，保證其不受邊界效應的影響。巖體力學參數如表1。

2 數值模擬方案及邊界條件設計

數值模擬分析了礦體不同埋藏深度、不同側壓力系數、拉底形態及采場尺寸參數4種工況條件下礦巖冒落規律。各工況條件下的模擬方案、邊界條件和拉底尺寸等如表2。

數值計算過程中礦巖冒落達到穩定狀態判定：以礦體埋深700 m計算分析為例，如圖3所示，過拉底區域中心點，沿礦體長度方向的截面，可以看出，在將塑性區開挖3次之后形成的冒落拱，拱線的上方基本無拉應力，可以判定冒落拱達到穩定狀態。其他工況條件下礦巖冒落是否達到穩定狀態判定完全相同。

3 礦巖冒落規律分析

3.1 礦體埋藏深度對采場礦巖冒落的影響

各埋藏深度礦體拉底后礦體冒落部分如圖4所示，其中下部區域為拉底部分，上部區域為塑性區部分。

圖5為礦巖冒落高度和冒落體積隨礦體埋藏深度變化曲線。可知，礦巖的冒落高度和冒落體積隨著埋藏深度的增加而減小，但減小幅度均較小。因此，在實際生產中，對于厚大破碎礦體，小埋深反而有利于礦巖的冒落；礦體埋深較大時，可通過割幫等誘導工程使礦體水平應力減小，促進冒落拱的發育。同時礦體埋深較大時應注意冒落過程的片幫現象，制定合理的拉底范圍，以免礦體開采過程中上下盤圍巖的片幫，造成礦石貧化率增加。

3.2 側壓力系數對采場礦巖冒落的影響

不同側壓力系數下的礦體冒落部分如圖6所示，圖中下部為拉底區域，上部為冒落部分。發現側壓力系數為0.4時冒落拱發育最好，礦體冒落高度與冒落體積在5個方案中最大。

礦體的冒落高度和冒落體積隨側壓力系數變化如圖7所示，礦巖的冒落高度和冒落體積的變化趨勢基本一致。當側應力系數從0.4增加到1時，礦體的冒落高度僅減小了15.7%，但是礦體的冒落體積卻減少了43%，表現出在這一過程中冒落拱的發育變差。側壓力系數超過1后，冒落高度保持穩定，冒落體積出現緩慢增長。

在實際生產中，如果礦體的側應力較大，拉底完成后片幫問題會較為嚴重，應合理規劃拉底的范圍。因此，若使上賦礦巖冒落得更加充分，可以通過切幫等輔助工序來盡可能降低礦塊的側應力，從而達到使冒落高度和冒落體積增加的目的。

3.3 拉底長寬比對采場礦巖冒落的影響

圖8為不同拉底長寬比條件下礦體冒落部分，下部為拉底區域，上部為上部塑性區。由塑性區分布圖可知，拉底形狀不同，各冒落拱的形狀差異較大，冒落高度隨著拉底長寬比的增大而逐漸減小。

圖9為礦體冒落高度和冒落體積隨拉底長寬比變化曲線，礦體的冒落高度和冒落體積隨拉底長寬比增大均呈現逐漸減小趨勢。拉底形狀為正方形時（長寬比為1），冒落高度和冒落體積達到最大，然而，在拉底長寬比為2時，冒落體積有小幅度的增加。因此，在拉底設計時應考慮拉底形狀為正方形（長寬比為1），在地質條件或開采條件的約束下，拉底的長寬比最好不大于2。

3.4 采場尺寸參數對礦巖冒落的影響

如圖10所示，隨著拉底跨度的增加，采場冒落高度在前期增長較快，拉底的跨度接近拉底寬度時，冒落高度的增長趨勢開始減緩，隨著拉底跨度的持續增加，礦體的冒落高度保持穩定。拉底跨度較小時，不同寬度的礦體冒落高度較為接近，隨著拉底跨度的增加，30 m寬度礦體的冒落高度增長速度首先降低下來，50 m和70 m寬度的礦體的冒落高度增長速率在拉底跨度不斷增加的過程中也相繼降低，最后都趨于穩定。圖11為不同礦體寬度的礦巖冒落高度與采場拉底跨度比值（高跨比）隨拉底跨度變化曲線，從圖中可以看出，拉底跨度相同時，高跨比隨礦體寬度的增加而增加。相同寬度的采場，高跨比隨拉底跨度的增加而減小。