深部破碎礦體分段空場嗣后充填法采場結構參數優化

劉鵬鵬 王貽明 周科禮 熊國雄 石大慶

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;2.大冶有色金屬集團控股有限公司,湖北 黃石 435005)

隨著金屬礦山的機械化水平逐步提高以及開采深度逐漸加深,礦山開采面臨著許多全新挑戰。比如:原來設計的采場結構參數無法匹配當下的機械化水平;深部礦體開采時所受到的地應力增大、賦存的工程地質條件復雜;深部礦體形狀與早期勘探的結果相比變化較大等。這都會大大制約礦山進入深部的開采效率,礦山往往需要根據自身條件,推動深部開采的技改工程。其中最核心的問題之一是深部采場的結構參數[1]。針對深部礦巖特征對采場結構參數進行合理優化是深部技改工程的關鍵技術問題。

針對該問題,姜偉明、朱訓國、蘇龍等[2-4]通過現場巖體條件對巖體質量等級采用單一評價方式或模型進行了討論,評價巖體的質量等級;郭進平、胡高建、李勝輝等[5-7]利用Mathews 穩定圖表法,針對淺部礦體采場結構參數進行了優化設計;李闖、徐永文、周亞博、路燕澤等[8-11]采用Flac3D 數值模擬軟件對薄礦體采場結構參數進行了優化研究,確定了采場結構參數的合理性。本文主要研究背景為銅綠山銅鐵礦深部礦體,其平均厚度為30 m,為厚礦體,在評價巖體質量時采用了兩種評價方法。

銅綠山銅鐵礦地表標高+80 m,已開采至-605 m中段水平,開拓水平達到-800 m 左右,整體回采深度已達到900 m 左右。隨著開采深度的增加,巖性與工程地質條件變化大,采場應力賦存條件復雜,破碎帶多,礦山迫切需要提高采礦效率與生產能力,原有采場結構參數設計難以滿足深部后期工程的需求,亟需進行優化。基于此,本研究采用理論分析、現場測試、數值模擬研究相結合的方法,基于現場取樣開展巖石力學實驗與工程地質調查,對深部巖體質量進行分級評價,在此基礎上,采用Mathews 穩定圖法與Flac3D數值模擬,從解析解和數值解相結合驗證優化采場結構參數,研究可為深部礦體高效開采提供理論依據和工程借鑒。

1 巖體質量分級評價

巖體質量分級主要針對銅綠山銅鐵礦深部礦巖特征開展定性和定量評價,深部礦巖類型包括銅鐵礦、矽卡巖和大理巖,這3 種巖體涵蓋了深部絕大多數礦巖類型。

1.1 巖石力學參數研究

根據對深部礦體進行鉆芯取樣,開展巖石力學基礎實驗,具體工作如下:在井下-545 m 中段與-605 m 中段不同地點取得銅鐵礦石、上盤大理巖與下盤矽卡巖巖樣,加工成φ50 mm×100 mm 的標準巖石試件,利用MTS 巖石力學試驗機等開展單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂等實驗,測試的力學參數包括:巖體的密度、單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、單軸抗拉強度、單軸抗剪強度(內聚力和內摩擦角)等。巖石力學實驗的具體過程依據標準DZ/T 0276.4—2015 進行,如圖1。表1 為測試后得到的不同巖性的力學參數結果。

圖1 單軸抗壓強度實驗Fig.1 Uniaxial compressive strength test

表1 不同巖性巖石力學參數測試結果Table 1 Test results of mechanical parameters of rocks with different lithologies

1.2 節理裂隙參數研究

采用詳細線法對深部巖體的節理裂隙展開調查。具體在-545 m 中段、-605 m 中段、-665 m 中段、-725 m 中段選取結構面發育狀況較好的地點對不同巖性巖體進行工程地質調查,內容包括:結構面的傾向、傾角、節理密度、節理間距等,表2 為調查得到的節理裂隙參數結果。

表2 節理裂隙參數調查統計結果Table 2 Statistical results of investigation of nodal fracture parameters

1.3 巖體質量分級評價結果

根據實驗獲得的不同巖石力學參數與節理裂隙參數,采用RMR 法和BQ 法對銅綠山礦礦巖進行巖體質量分級,最終銅鐵礦為Ⅳ～Ⅲ級巖體,巖體質量為差～中,屬于堅硬巖體且巖體較為完整;矽卡巖為Ⅳ～Ⅲ級巖體,巖體質量為差～中,屬于堅硬巖體且巖體較為破碎;大理巖為Ⅲ～Ⅱ級巖體,巖體質量為中～良,屬于堅硬巖體且巖體較為破碎。表3 為不同巖體質量評價等級結果。

表3 不同巖體質量評價等級Table 3 Different rock quality assessment levels

RMR 法和BQ 法在對巖體質量進行評價時,充分考慮了巖體結構面的發育狀況,采用這2 種方法對銅綠山銅鐵礦深部巖體進行質量評價,結果更加接近工程實際。

2 采場結構參數優化

Mathews 穩定圖方法用于空場法采礦設計,是一種關于巖體質量、開采深度、采場尺寸和穩定性間的一種經驗關系。銅綠山銅鐵礦深部采用的采礦方法70%以上均為分段空場嗣后充填法,因此結合深部礦巖特性[12-14],可以采用Mathews 穩定圖方法對采場結構參數進行合理驗算。

2.1 Mathews 穩定圖法參數介紹

應用Mathews 穩定圖方法需要計算2 個參數:形狀因子和穩定性系數。

(1)穩定性系數N。描述采場條件的穩定性系數N定義為

式中,Q'為修正的Q系統分級值;A為巖石強度因子;B為節理方向調整參數;C為重力調整因子。具體計算如下:

① 按照Mathews 穩定圖方法的要求對Q值進行修正,將地應力影響因素SRF設為1,地下水的影響因素Jw=1,最終得到Q'(修正后的Q值)。

② 巖石強度因子:

式中,σc為完整巖石單軸抗壓強度,MPa;σi為平行于暴露面方向的采礦誘導應力,MPa。σc的值可通過室內巖石力學實驗測得,σi值可利用數值分析技術求出。當數值分析得出的σi為拉應力時,取A值為1。

③ 節理方向調整參數B=0.2 ～1。為了保證采場的安全,取節理對采場最不利的條件下進行考慮,因此,取B=0.2 來進行計算。

④ 重力調整因子C=8-6cosα,α為暴露面與水平面的夾角。

(2)形狀因子S。形狀因子S定義為

式中,L為采場寬度,m;L1為采場長度,m。當暴露面長寬之比＞4 ∶1 時,此時的形狀因子基本保持不變,即此時暴露面的穩定性主要受暴露面寬度的影響。

2.2 采場結構參數計算

根據現場調查結果并結合銅綠山礦相關地質資料與分段空場嗣后充填法設計資料,確定銅綠山礦深部礦體平均傾角為45°,礦房平均厚度為30 m,礦塊垂直礦體走向布置。

按照Q系統分級修正后,得到Q'值見表4。其中,RQD為巖體質量指標,Jn為節理組數;Jr為節理粗糙度;Ja為節理蝕變、充填機膠結程度;Jw為節理裂隙水折減系數;SRF為應力折減系數。

表4 修正后的Q 值(Q'值)Table 4 Corrected Q value (Q'value)

按照式(1)計算巖體穩定性系數N,結果見表5。

表5 穩定性系數N 值Table 5 Stability coefficient N value

Mathews 穩定圖方法的設計過程以2 個因子—穩定性系數N和形狀因子(或水力半徑)S的計算為基礎,然后將這2 個因子繪制在劃分為預測穩定區、潛在不穩定區和崩落區的圖上。穩定性系數代表巖體在給定應力條件下維持穩定的能力,形狀因子或水力半徑S則反映了采空區尺寸和形狀。圖2 為穩定性系數N與水力半徑S相關關系的Mathews 圖。根據Mathews 穩定圖結合不同礦巖類型修正的Q'值與穩定性系數N值確定了形狀因子S值,見表6。

圖2 穩定性系數N 與水力半徑S 相關關系的Mathews 圖Fig.2 Mathews plot of the correlation between stability coefficient N and hydraulic radius S

表6 形狀因子S 值Table 6 Shape factor S value

任何井下的暴露面均可認為是由兩個方向的跨度組成,即認為是一個長方形。由于礦塊沿走向布置,故礦體平均厚度即為礦塊長度。根據式(3)結合形狀因子S值,確定采場結構參數。

礦體平均厚度為30 m,根據銅綠山礦分段空場嗣后充填法可知,采場垂直走向布置。若僅考慮采場頂板跨度,在礦體中布置采場,當其巖體無支護時,采場頂板跨度需要限制在18.81 m 之內,此時允許暴露面積為564.21 m2;當其巖體被支護時,采場頂板跨度需要限制在35.6 m 之內,此時允許暴露面積為1 067.93 m2。

但考慮到礦體平均傾角為45°時,還要考慮采場上盤圍巖的穩定性。根據表6 可知,無論是無支護情況或者支護情況下,3 種巖性的形狀因子S大小關系均為:大理巖＞銅鐵礦＞矽卡巖。因此只需考慮矽卡巖為采場上盤時采場的穩定性是否滿足要求。而當矽卡巖為采場上盤圍巖,當其巖體無支護時,采場上盤圍巖跨度需要限制在12.01 m 之內,此時允許暴露面積為360.3 m2;當其巖體被支護時,采場上盤圍巖跨度需要限制在21.49 m 之內,此時允許暴露面積為644.62 m2。

3 基于數值模擬的采場結構參數優化研究

利用Flac3D 對分段空場嗣后充填采礦法進行模擬優化,主要針對無支護采場,分析采場穩定性,優化采場結構參數。

銅綠山銅鐵礦的分段空場嗣后充填采礦法,采準切割布置如圖3 所示。中段開采劃分為4 個分段,分段高度12 m,回采順序為從下至上,礦體回采一般劃分礦塊(即礦房和礦柱),礦塊一般采用“隔一采一”,每分段最多同時回采2 個礦房。礦房和礦柱長度為礦體平均厚度30 m,寬度為10 m。

圖3 分段空場嗣后充填采礦法示意(單位:m)Fig.3 Schematic of sublevel open stope with subsequent filling method

3.1 數值模擬方案介紹

目前銅綠山銅鐵礦主要開采中段為-545 m 中段以及-605 m 中段,因此本次模擬對象選擇為-545 m中段礦塊回采。本次模擬主要從模擬各中段盤區出礦完成及充填后位移、應力及塑性區的變化。每個開挖步驟客觀地反映了礦體逐步開采過程中,圍巖應力疊加、巖體變形延續與破壞逐漸發展的力學進程和效果。

本次模擬主要研究采場寬度對于采場穩定性的影響,根據Mathews 圖法確定的采場寬度范圍,綜合考慮了頂板與上盤圍巖穩定性,設計模擬采場寬度分別為15、12、10 m。其中采場寬度10 m 為目前礦山生產正在使用的采場結構參數。采場長度為礦體平均厚度30 m,分段高度12 m。

深部巖體都屬于彈塑性材料,所以這里采用Mohr-Coulomb 模型。

3.2 數值模擬參數確定

根據巖石力學物理實驗所得的力學參數,采用Hoek-Brown 法[15-16]對實驗參數進行參數折減,使實驗所得力學參數更加接近實際的礦巖力學參數,而后對數值模擬模型進行參數賦值。充填體力學參數根據現場試驗得出。所有數值模擬力學參數見表7。

表7 折減后的礦巖和充填體物理力學參數值Table 7 Discounted values of physical and mechanicalparameters of ore rocks and fillings

3.3 模型邊界條件和基本假設

(1)對礦巖性質的假設。獲得折減后的巖體參數后就可以假設礦體為各向同性、均質且符合摩爾-庫侖彈塑性模型的介質,其自重應力場如下:

式中,σv為自重應力,MPa;σh為自重應力的水平分量,MPa;v為上覆巖層泊松比;γ為巖體的容重,g/cm3;H為距離地表的深度,m。

(2)對計算模型的假設。地下開采過程中各階段巷道、斜井、聯絡道等工程對礦體開采的穩定性有一定的影響,但對礦山整體來說影響不大。從宏觀上看,對采空區的穩定性影響很小,故在建模及數值模擬分析過程中,可以相應忽略其對工程的影響。

(3)礦房結構的簡化。為模擬方便,已較大程度模擬礦體形態,同時對尖銳、零散區域進行了簡化。

3.4 模型介紹及模擬分析

本次模擬重點為礦體開采及充填,礦體沿走向為模型Y方向。如圖4 為建立的銅綠山礦部分中段礦體的三維數值計算模型,模型尺寸為240 m×120 m×180 m(長×寬×高),網格共計146 520 格,節點數量為155 250。模型頂部施加的荷載22.8 MPa,為模擬上部565 m 深覆巖體的自重荷載。

圖4 數值模擬Flac3D 模型Fig.4 Flac3D model numerical simulation

3.4.1 礦房開挖應力分析

如圖5～圖7 為-545 m 中段四分段2 個礦房采場取不同采場寬度的開采及充填后應力變化云圖,空區開采后相同高度相鄰區域礦巖應力變化相似,分別通過平行于礦體傾角方向進行切片分析及對礦體剖面切片,分析討論了空區周邊應力變化。

圖5 礦房寬度10 m 開采與充填最小主應力云圖Fig.5 Minimal principal stress cloud map for excavation and filling of 10 m width of mine room

圖6 礦房寬度12 m 開采與充填最小主應力云圖Fig.6 Minimal principal stress cloud map for excavation and filling of 12 m width of mine room

圖7 礦房寬度15 m 開采與充填最小主應力云圖Fig.7 Minimal principal stress cloud map for excavation and filling of 15 m width of mine room

從一分段至四分段,在每分段2 個礦房同時回采過程中,礦房寬度分別為10、12、15 m 時 ,四周應力集中主要在頂板和側幫,頂板所受到的應力值均小于5 MPa,側幫所受到的應力值均小于2.5 MPa,均在巖體承受范圍內。并且在經過充填后,采場四周的應力集中均得到了改善。

但由于回采方式采用“隔一采一”,必須考慮礦柱受力情況,為后期礦柱回采打好基礎。根據不同寬度礦房回采和充填時,兩礦房之間礦柱所受最大應力,獲得關于礦柱承受最大應力與礦房寬度曲線圖,如圖8 所示。

圖8 礦柱承受最大應力與礦房寬度曲線Fig.8 Curves of the maximum stress on the pillar versus the width of the mine room

根據圖8 可知,礦房寬度越大,兩礦房之間礦柱所受應力也逐漸增大,但應力值均在15 MPa 以內。并且通過充填后,礦柱所承受最大應力均有1 ～3 MPa 的降低。

3.4.2 礦房開挖位移分析

由于當前模擬礦體開采,采空區暴露面積較大,在不同分段中,皆出現了較大的位移,為準確反映空區周邊礦巖位移變化,通過垂直走向方向剖面圖綜合分析,-545 m 中段四分段礦體開采及空區充填位移變化如圖9～圖11 所示。

圖9 礦房寬度10 m 開采與充填位移云圖Fig.9 Displacement cloud map of mining and filling with 10 m width of mine room

圖10 礦房寬度12 m 開采與充填位移云圖Fig.10 Displacement cloud map of mining and filling with 12 m width of mine room

圖11 礦房寬度15 m 開采與充填位移云圖Fig.11 Displacement cloud map of mining and filling with 15 m width of mine room

在模擬3 種礦房寬度回采時,從一分段至四分段,空區頂板區域出現了較大的位移,靠近空區頂板中心位置礦巖下沉量較小,靠近下盤位置的底板出現底鼓以及巷道壁出現片幫較大,受空區暴露面較大的影響。

不同礦房寬度模擬回采時,礦房寬度與頂板、下盤底板的形變位移關系如圖12 所示。礦房寬度為12 m 時,頂板、下盤底板的形變位移最大,但3 種礦房寬度下的形變位移量相差不到10 cm。

圖12 礦房最大位移與礦房寬度曲線Fig.12 Curves of the maximum displacement of the mine room versus the width of the mine room

根據位移云圖可知,對空區采取充填措施后,充填體及周邊均出現了較小的下沉,下沉量普遍小于1 cm,說明對該礦房采場采空區采取充填措施效果顯著。

4 結 論

(1)根據在銅綠山銅鐵礦井下現場取樣實驗與現場工程地質調查,通過RMR 法與BQ 法進行巖體分級,確定銅鐵礦為Ⅳ～Ⅲ級巖體,屬于堅硬巖體且巖體較為破碎;矽卡巖為Ⅳ～Ⅲ級巖體,屬于堅硬巖體且巖體較為破碎;大理巖為Ⅲ～Ⅱ級巖體,屬于堅硬巖體且巖體較為完整。

(2)根據Mathews 穩定圖結合不同礦巖類型修正的Q'值與穩定性系數N值確定了形狀因子S值,確定了銅綠山銅鐵礦分段空場嗣后充填法深部采場寬度。為保證頂板穩定性,在無支護條件下采場寬度需小于18.81 m;在支護條件下采場寬度需小于35.6 m。為保證上盤穩定性,在無支護條件下采場寬度需小于12.01 m;在支護條件下采場寬度需小于21.49 m。

(3)采用Flac3D 對銅綠山礦-545 m 中段的2 個礦房采場,進行回采模擬。綜合考慮頂板與上盤圍巖穩定性,設計模擬采場寬度分別為10、12、15 m。在采用3 種采場寬度回采時,礦柱所承受最大應力均在巖體承受范圍之內;頂板、下盤底板的形變位移相差均在10 cm 左右。而且礦房充填后,礦柱所承受的應力與頂板、下盤底板的形變位移均有良好的改善。在這種條件下,若采用 15 m 采場寬度可以避免更多采切工程,提高礦山回采效率,并且采場穩定性相比采用10 m 或12 m 采場寬度也僅有少量降低。所以最終推薦采場寬度為15 m。