某磷礦深部緩傾斜礦體采場結構參數數值模擬研究

曾佳龍，朱陽亞，周勇，郭旺，鄒多利

(中藍長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

湖北宜昌某磷礦的含磷礦層賦存于震旦系陡山沱組中下部地層中，在礦區內為隱伏磷礦層,沿走向控制的長度約4000 m，沿傾向控制的寬度約3000 m，賦存標高為?164.307（ZK1101）m～406.602（ZK507）m，埋深570.15（ZK101）m～879.40（ZK1101）m，呈似層狀～透鏡狀產出，產狀平緩，傾角7°～11°。Ⅰ號礦體分布區南采區為首采區，礦體沿走向長度約1600 m，沿傾向寬度約2000 m，賦存標高為44.438～422.578 m，埋深569.87～859.26 m，均位于當地侵蝕基準面（545.20 m）以下，屬典型的隱伏礦床，礦層總體傾向北東，傾角4°～13°。由于礦體埋藏較深，同類型礦山在湖北地區開采實例較少，無可提供參考借鑒的工程經驗。本文借助有限元軟件Midas-GTS 對七里沖磷礦采場結構參數進行模擬，研究分析普通點柱法和條帶嗣后充填法兩種采礦方法不同采場結構參數下，頂底板及礦柱的應力應變情況，為礦山科學確定采場結構參數提供依據。

1 礦山開采技術條件

礦體賦存于陡山沱組胡集段下亞段，礦層的頂板為中厚層狀細晶白云巖，厚0～9.40 m，其上為連續沉積的灰黑色含燧石扁豆體泥質白云巖，分布穩定，風化后較松散，厚13.00～51.10 m；礦層的底板為中厚層狀含硅質白云巖，厚1.15～15.10 m。礦層直接頂板為泥質白云巖，其RQD 平均值為74%，巖石質量等級Ⅲ級，即巖體中等完整、巖石質量中等、巖體質量中等；礦層直接底板為細晶白云巖，其RQD 平均值為82%，巖石質量等級Ⅱ級。根據礦體賦存條件，較適宜的采礦方法為普通房柱法和條帶嗣后充填法。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型建立及參數設定

以普通房柱采礦法及條帶嗣后充填采礦法為基礎建立幾何模型，分別以1 個標準礦塊為研究對象，單個礦塊走向長104 m，傾向長100 m，礦體傾角為9°。由圣維南原理可知，巖體的局部開采僅對有限范圍有明顯的影響，考慮模擬的邊界效應，將有限元模型按所研究對象尺寸的3～5 倍建模。

根據初步設計方案及上述研究結果，模型一為普通房柱法采礦模型，礦塊沿走向長104 m，沿傾向長100 m，礦塊間留寬4 m 的間柱，頂底柱沿走向布置，礦房內留規則的點柱，點柱尺寸為5 m×5 m；模型二為條帶嗣后充填法采礦模型，礦塊沿走向長104 m，沿傾向長100 m，礦塊間留寬6 m 的間柱，礦塊中沿走向間隔布置條帶礦柱、礦房，礦柱寬6 m，礦房寬8 m。劃分網格時，為提高礦塊點柱模擬結果的精密度，對內部礦區實體采用小尺寸網格劃分，最終生成的網格和建好的模型如圖1所示。

圖1 采動模擬與穩定性分析模型

2.2 巖體強度參數

本次模擬所用的礦巖力學參數由于缺乏各巖層抗拉強度、彈性模量和泊松比這3 項參數及充填料的力學參數，參考了其他礦山的相關數據。模擬所采用的物理力學參數見表1。

表1 物理力學參數

2.3 采用的屈服準則

假設礦巖為理想彈塑性體，考慮三維主應力對巖石抗剪強度的影響，以及內摩擦角和內聚力引起的屈服和體積膨脹作用，采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則判斷巖體的破壞。

2.4 邊界條件及收斂判據

2.4.1 邊界條件

由于分析的盤區處于整個礦體中，當礦體進行開采時，必然引起整個應力場、應變場的變化，所以必須從整體出發，確定分析時的邊界條件，該數值模擬計算涉及到的邊界條件主要為結構應力分析邊界條件。其邊界條件確定如下：對位移邊界條件，模型4 個側面約束x向、z向各自由度，模型底面約束x向、y向及z向各自由度；對應力邊界條件，主要考慮地應力場作用，根據七里沖磷礦詳查報告，Ph2 礦層埋深為569.87～995.62 m，平均埋深約750 m，初算垂直應力為σv=19.77 MPa。參照文獻《中國大陸淺層地殼實測地應力分布規律研究》，埋深1500 m 以內，垂直應力σv=20.32 MPa?？梢妳⒄赵撐墨I計算值較為準確，則本模型垂直應力取值20.32 MPa。側壓系數亦參照該文獻，根據埋深取定最大水平主應力與垂直應力之比為0.83，最小水平主應力與垂直應力之比為0.44。

2.4.2 收斂判據

在進行計算前，需設定計算收斂判據。本次計算采用軟件默認收斂準則：當內力（U）收斂容差為10?3、能量（W）收斂容差為10?6時，終止計算，認為計算達到收斂。

2.5 開采過程模擬

2.5.1 普通房柱法采動過程模擬

根據設計的回采工藝，本模型對一個標準礦塊的開采進行模擬分析，具體為由上礦層切割上山端部向兩端掘進一條水平巷道，在回采過程中間隔13 m 左右掘進下一水平的切割槽，依次進行，在回采過程中，從切割巷道中央向兩端、沿切割上山從上往下退采，沿走向留設5 m×5 m 的規則礦柱，在礦塊四周留設寬為4 m 的連續間柱和頂底柱。模擬分析結果如圖2～圖5 所示。

圖2 開采終態頂板位移云圖

圖3 開采終態頂板最大主應力云圖

由圖2～圖5 可以看出，當模擬一個標準礦塊采用普通房柱法回采時，上礦層直接頂板位移下沉最大值為3.82 mm，拉應力最大值為0.67 MPa，壓應力最大值為0.54 MPa，皆小于上礦層直接頂板的力學強度值，說明1 個礦塊回采完畢后，礦層直接頂板比較穩定；點柱位移最大值為2.61 mm，壓應力最大值為69.58 MPa，壓應力極值較大，超出了抗壓強度，說明產生了壓應力集中區域，主要集中在點柱四周，該區域點柱會產生塑性屈服應變，導致點柱部分礦體碎裂脫落。根據礦柱受力區域分析，壓應力集中區域約占礦柱總體積的20%左右，大部分點柱都能有效支撐直接頂板和上覆巖層，因此可以推斷整個空區不會失穩。

圖4 開采終態點柱位移云圖

圖5 開采終態點柱最大主應力云圖

2.5.2 條帶嗣后充填采礦法采動過程模擬

根據設計的回采工藝，本模型對一個條帶嗣后充填采礦礦塊的開采進行模擬分析，具體為先回采條帶礦柱，待回采完所有條帶礦柱后進行膠結充填，充填體達到一定強度后再回采條帶礦房。所有條帶礦柱、礦房均分兩層自上而下進行回采，先回采上分層，采完上分層后，再采下分層，礦柱條帶尺寸為6 m，礦房條帶尺寸為8 m，模擬分析結果如圖6～圖9 所示。

由圖6～圖9 可以看出，當一個標準礦塊進行條帶嗣后充填采礦法回采時，上礦層直接頂板位移下沉最大值為17.07 mm，拉應力最大值為2.17 MPa，壓應力最大值為53.64 MPa，僅礦塊頂板端部產生了壓應力集中，但壓應力集中區域較小，綜合判斷頂板較為穩定；條帶礦柱回采完畢充填后進行條帶礦房回采，回采完畢后條帶礦柱最大位移下沉值為16.5 mm，最大拉應力值為0.12 MPa，壓應力最大值為4.34 MPa，說明模擬過程中條帶充填礦柱對頂板進行了有效支撐，并且充填體保持穩定狀態。

圖6 開采終態頂板位移云圖

圖7 開采終態頂板最大主應力云圖

圖8 開采終態礦柱位移云圖

圖9 開采終態礦柱最大主應力云圖

3 結論

（1）模擬一個標準礦塊采用普通房柱法回采時，礦層直接頂板比較穩定，壓應力極值較大，超出了抗壓強度，說明產生了壓應力集中，根據礦柱受力區域分析，壓應力集中區域約占礦柱總體積的20%左右，大部分點柱都能有效支撐直接頂板和上覆巖層，因此可以推斷整個空區不會失穩。

（2）模擬一個標準礦塊進行條帶嗣后充填采礦法回采時，僅礦塊頂板端部產生了壓應力集中，壓應力集中區域較小，綜合判斷頂板較為穩定，條帶充填礦柱對頂板進行了有效支撐，充填體保持穩定狀態。