弓長嶺鐵礦上下含鐵帶開采穩定性研究

田迎春,范文錄,馬 東,謝盛青,宮國慧,陳小偉,李宗武,王懷勇,胡世超,傅利民(.鞍鋼集團礦業弓長嶺有限公司,遼寧 遼陽007;.中國恩菲工程技術有限公司,北京00038)

1 前言

弓長嶺鐵礦位于遼寧省遼陽市弓長嶺區蘇家街道,北距沈陽70 km,西北距遼陽市39 km,礦區交通十分便利。弓長嶺鐵礦目前采用采礦方法主要為無底柱分段崩落法,為解決礦山面臨的采礦損失率和貧化率大等問題,研究采用充填法開采,開采示意圖如圖1所示。

圖1 弓長嶺充填法開采示意圖

弓長嶺鐵礦自西向東被劃分為三個區段,西北區、中央區和東南區。中央區分為上含鐵帶采區和下含鐵帶采區,上下含鐵帶間隔最近接近10 m,上鐵帶平均厚度為15 m,下鐵帶平均厚度為10 m,鐵礦層總體走向120° ～160°,北東傾,平均傾角70°。根據類似礦山生產條件,設計上鐵帶采場跨度為20 m,下鐵帶采場跨度為25 m。由于上下鐵礦層間隔距離較近,下鐵帶礦體開采必然對上鐵帶的巖層及充填體產生影響,難以確保中間隔離巖柱及充填體的穩定性,因此需通過數值分析進一步予以驗證[1]。

研究采用有限差分程序FLAC3D5.0[2]建立弓長嶺鐵礦上下鐵帶開采模型,對給定的設計采場參數下的礦體分別進行不充填開采及充填開采穩定性分析研究,驗證上下鐵礦層開采穩定性,為礦山安全開采提供理論依據。

2 數值模型

數值分析的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型,包括計算模型的真實度、應力條件、巖體力學參數及其破壞準則等[3]。

2.1 初始地應力

根據《弓長嶺井下鐵礦地應力測量研究報告》應力數據成果,弓長嶺礦區地應力場分布具有以下規律:各測點最大主應力近水平方向;5 個測點中最大水平主應力值是自重應力的1.6 ～2 倍,說明井下鐵礦地應力場是以水平構造應力為主導的;垂直應力值基本上等于或微大于上覆巖層的重量,與自重應力的比值為0.98 ～ 1.02。最大水平主應力(σhmax)、最小水平主應力(σhmin)和垂直主應力(σv)均隨深度(H)呈近似線性增長的關系,線性回歸方程為

式中:H——埋深,m。

2.2 本構模型

巖體開挖后,圍巖內發生應力重分布,周邊附近是應力集中帶。假定圍巖呈彈塑性變形,可用莫爾-庫侖強度理論建立其屈服條件為

式中:δr、δθ——圍巖發生屈服破壞時的徑向、切向應力;

Cm、φm——巖體的黏結力、內摩擦角。

2.3 礦巖力學參數

弓長嶺鐵礦礦巖力學參數見表1。

表1 弓長嶺鐵礦礦巖力學參數

2.4 數值模型

根據弓長嶺鐵礦礦體特征,通過建立兩條礦帶模型,模擬兩條礦帶先后開采的應力變化情況。模型當中,礦體傾角均設為70°,開挖過程為先開采上礦帶,采場開采后充填,之后對下礦帶進行開采,并充填,采場跨度為25 m。為便于結果對照分析,同時進行上下礦帶開采后不充填模擬,并與充填開采過程所得結果進行對比分析。計算模型如圖2所示。

圖2 整體模型和礦體模型

3 結果分析

3.1 不充填計算結果

根據圖3a 最大主應力結果,若開采過程中不充填,最大主應力達到42 MPa 以上,巖體所受壓應力過大則容易產生剪切破壞;圖3b 所示為最小主應力結果,最小主應力超過部分巖體的抗壓強度,且達到0.9 MPa 以上,由于巖體在受拉時,極易發生受拉破壞,因此不充填開采,采場明顯無法滿足穩定性要求。

圖3 上下鐵帶開采最大主應力與最小主應力計算結果

圖4a 所示為垂直位移計算結果,圖4b 所示為塑性區分布結果。從圖中可看出,垂直位移大幅增加,上盤巖體的垂直位移達到84 mm,且隨著采場逐步開采,垂直位移呈線性增加的趨勢;從塑性區分布來看,采場不充填,上下盤圍巖塑性區分布擴展范圍大,尤其是中間巖柱塑性區已全部貫通,這是由于中間巖柱受到較大的應力集中影響,易發生剪切破壞,因此,采場不充填不利于上下鐵帶間巖柱的穩定。

圖4 上下鐵帶開采垂直位移與塑性區分布結果

3.2 充填開采計算結果

根據圖5a 最大主應力結果,在上礦帶采場開采后并及時充填直至下礦帶開采過程模擬中,礦巖體最大主應力均未超過巖體抗壓強度,充填體起到很好的支撐作用;根據圖5b 最小主應力結果,在上礦帶開采充填后,下礦帶開采過程中產生的拉應力較小,局部出現拉應力為0.21 MPa,小于巖體抗拉強度。以上結果對比不充填開采,礦巖受力情況得到明顯改善,且說明采用上述采場結構參數合理可行。

圖5 上下鐵帶開采最大主應力與最小主應力計算結果

根據圖6a 為垂直位移計算結果,圖6b 所示為塑性區分布結果。隨著下礦帶開采,上礦帶豎直位移有一定增加,但由于充填體的支撐作用,豎直位移增加量并不大,說明充填體起到較好的支撐作用;從塑性區結果來看,隨著下礦帶采場逐步開采,塑性區分布范圍開始變大,由于充填體力學強度較小,在下礦帶采場逐步開采過程中,充填體受力逐漸增大,因此充填體容易發生剪切受拉破壞。此時上下礦帶中間的巖柱由于應力集中影響,塑性區范圍逐漸增大,但未完全貫通,說明充填開采可以維持上下礦帶開采采場的穩定。

圖6 上下鐵帶開采垂直位移與塑性區分布結果

4 結論

通過對弓長嶺鐵礦上下含鐵帶開采數值分析,并對比不充填開采結果,驗證了上下鐵礦層充填開采下采場的穩定性,主要結論有:

(1)上下礦層開采后不充填時,上下鐵帶隔離巖柱產生的塑性發生貫通,主要為剪切塑性區,說明中間隔離巖柱受壓應力較大已發生剪切破壞;上盤巖體則存在較多受拉塑性區,說明巖體受拉應力破壞,且通過最小主應力可知,巖體所受拉應力接近1 MPa。

(2)上鐵帶采空區及時充填后,中間隔離巖柱存在的塑性區不發生貫通,且上盤巖體所受拉應力較小,巖柱及采場周邊巖體基本可維持穩定。

(3)由于充填體力學強度較小,在下礦帶采場逐步開采過程中,充填體受力逐漸增大,充填體容易發生剪切受拉破壞,因此在下礦帶采場開采到一定數量時,建議將采場跨度適當降低來進一步保證頂板的穩定性。