露天轉地下大規模開采盤區礦柱穩定性分析

孫 健, 陳小偉, 宮長亮, 安 晶, 任鵬召, 張 磊, 張少杰

(1.鞍鋼集團礦業有限公司大孤山分公司, 遼寧 鞍山 114046; 2.中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038;3.北京科技大學, 北京 100083)

1 前言

目前,我國淺部礦產資源逐漸減少,大部分露天礦山相繼進入地下開采階段[1-2]。露天轉地下開采引起地壓活動規律改變,使開采盤區圍巖力學條惡化,威脅礦山企業的生產安全[3-5]。為有效控制盤區圍巖穩定,設計中通常留設承載礦柱,相關研究主要涉及礦柱承載機理及厚度優化、礦柱尺寸設計、盤區采場跨度、隔離礦柱回采方案優化、礦柱承載與破壞特征等方面內容。王文軍等[6]研究了深部開采中隔離庫礦柱的承載機理,采用理論分析和數值模擬的方法,確定原巖隔離礦柱為25 m時滿足安全要求;賴祖豪等[7]基于量綱分析理論,選取5因素水平建立境界礦柱厚度計算模型,采用計算模型得到的境界礦柱厚度與實際值接近,該模型具有較強的實用性,可為露天轉地下境界礦柱厚度的確定提供理論依據;盧萍[8]等采用FLAC3D數值模擬方法,進行了不同厚度隔離礦柱的數值模擬,確定礦山隔離礦柱厚度20 m為最優值;范文濤等[9]基根據不同礦柱長寬比模型計算,發現礦柱的長寬比值越大,承載能力降低,且脆性破壞特征明顯;史秀志等[10]建立了礦柱簡化力學模型,利用能量突變分析法,導出盤區礦柱的失穩判據,據此得到盤區礦柱的安全寬度為31 m;張少杰等[11]研究了深井超大面積開采盤區條形礦柱的應力和塑性區分布特征,揭示了盤區礦柱的承載作用;羅斌玉等[12]建立了壓剪荷載作用下礦柱力學模型,分析不同應力路徑對礦柱穩定性的影響;隔離礦柱回采方案與采場結構參數優化[13-14],主要根據盤區回采順序和盤區隔離礦柱采場結構參數進行圍巖變形和應力分布特征對比研究,選出最優方案;朱萬成等[15]認為礦柱的承載及失穩破壞與采空區穩定性緊密相關,歸納總結單礦柱穩定性研究方法和多礦柱載荷傳遞行為及失穩破壞機制。采區通常為多礦柱布置,礦柱除承受上覆巖層荷載外,多礦柱之間也存在傳遞荷載,荷載形式極為復雜,相關研究相對較少,導致工程實踐中礦柱尺寸設計缺少科學依據。

本文對某鐵礦露天轉地下開采盤區礦柱進行了數值模擬分析,在保證地下礦體開采量最大化的基礎上,研究不同礦柱寬度對圍巖穩定性的影響,研究成果可為露天轉地下大規模開采條件下的礦柱設計提供依據。

2 工程概況

2.1 工程地質

礦區斷裂構造對鐵礦床的影響最大,斷裂基本沿鐵礦帶近于平行展布,走向280°～310°,由數條平行或相互交匯復合的斷層組成,總體構造性質為南盤向東走滑的以走滑為主的斷裂構造。巖石風化程度一般,發育深度30～80 m,鉆孔揭露風化裂隙發育最大深度為62.37 m。礦區內斷裂構造較為發育,個別位置受斷裂構造、層間裂隙或巖脈侵入、穿插致使巖性頻繁變化的影響,使巖石質量和巖體完整性受到一定的破壞,破碎位置多位于綠泥石英片巖和石英巖中,使其巖石質量及巖體完整性均較差。露天采場斷層多與邊幫呈大角度相交,斷層傾角較陡,或與邊幫坡面反傾,邊幫巖體受斷層及次生結構面的影響較大。

礦體及圍巖完整性多為中等-完整,巖體質量中等-極好,局部構造帶及巖脈侵入接觸帶附近巖體較破碎,完整性和質量較差。礦區工程地質條件復雜類型為中等類型。

2.2 開采現狀

某鐵礦經過多年露天開采后,現形成東西長1 700 m、南北寬1 520 m、垂直深達400 m橢圓形露天坑,其地形地貌景觀是整個礦坑呈倒金字塔形?，F露天采場最低標高為-354 m,露天采場上口地面標高約70～110 m;礦體長約1 200 m,走向310°～315°,傾角60°～75°,平均厚度128 m,設計坑底標高-414 m。根據礦山產量安排,露天開采預計2024年結束,后續需對礦山轉入地下開采進行規劃、建設。

根據礦體的開采技術條件,采礦方法主要采用大直徑深孔空場嗣后充填法和分段空場嗣后充填法。將礦體劃分為盤區,以盤區為回采單元組織生產。采場分為礦房和礦柱,進行兩步驟回采,礦房、礦柱寬度均定為18 m,采場長為90 m,中段高度60 m,采用隔三采一的方式開采,一步礦房回采結束后,再對二步礦柱進行回采。

3 數值模擬

3.1 航拍模型

采用測繪專業級設備無人機(經緯M300_RTK)在礦區進行了三維實景復制,航測范圍周長約15 km,面積約16 km2,精細測量的重點區域主要有:礦坑、排巖場和尾礦庫。

無人機傾斜攝影技術的工作流程分為像控點布設、測線規劃、數據采集、數據處理、成果表達等流程。經過無人機航拍得到的影像數據,通過影像數據中的角點、邊緣等灰度值差異較大的點等一系列特征點進行匹配,匹配完成后對數據進行矯正,以保證得到數據的精度。對擁有同一特征點的三張及以上照片進行三角運算,獲得特征點的空間數據,并對空間數據進行誤差運算,矯正照片的位置信息和姿態信息。矯正完成后對照片進行逐像素匹配運算,進而生成稠密點云,將點云中的三個點連接生成三角網,形成初步模型,然后對模型進行平滑處理得到最終模型,將模型對應的照片的紋理信息映射到模型上,生成三維實景模型,具體如圖1所示。

圖1 三維實景模型

3.2 FLAC3D模型

1)FLAC3D軟件介紹

FLAC3D是用于工程計算的大型三維顯式拉格朗日有限差分程序,能夠模擬計算巖體材料受力狀態下的各種力學行為。本次研究過程中,根據材料力學特征,圍巖和礦體均采用摩爾庫侖屈服準則,即

(1)

式中:fs——材料發生破壞的臨界值,MPa;

σ1、σ3——最大和最小主應力,MPa;

c——黏結力,MPa;

φ——摩擦角,MPa。

當fs>0時,材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下,巖體的抗拉強度很低,因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σt(抗拉強度,MPa))判斷巖體是否產生拉破壞。

2)模型建立

在礦區工程地質調查、無人機實景復制的基礎上,綜合礦區的主要地質構造和工程巖體分組,采用大型有限差分軟件FLAC3D,構建了該礦山的真三維數值模型,對露天轉地下開采全過程進行模擬計算。模型尺寸為3 800 m×3 800 m×900 m,具體如圖2所示。

圖2 三維數值模型

數值模型中的應力邊界條件按照地應力測量得到的地應力分布規律(式(2)～式(4))施加,模型側面限制水平移動,底部限制垂直移動。模型中礦體與礦柱之間的位置關系如圖3所示。

圖3 模型垂直Y軸切面示意圖

根據礦山水壓致裂地應力測量研究的數據顯示:礦區應力場以水平應力為主導,最大水平主應力與垂直應力的平均比值為2.42,最小水平主應力與垂直應力的平均比值為1.49。平均最大主應力方向為N62.6°E。礦區測點的三個主應力隨深度變化的線性回歸方程為

SH=0.051 22H+5.158 21

(2)

Sh=0.031 04H+3.342 73

(3)

SV=0.028 19H

(4)

式中:SH——最大水平主應力,MPa;

Sh——最小水平主應力,MPa;

SV——垂直應力,MPa

H——垂直深度,m。

3.3 力學參數

本研究計算所需的參數是在室內巖石力學試驗的基礎上,并通過Hoek-Brown強度準則折減之后獲得,能夠真實反映現場巖體力學性質,具體參數取值見表1。

表1 巖體物理力學參數

3.4 設計方案與模擬步驟

1)開采順序

設計對-324～-674 m之間的礦體進行回采,以-494 m水平為界分為上部采區和下部采區,上部采區礦體分為-380 m、-430 m、-490 m三個無軌開采中段,下部采區礦體分為-550 m、-610 m、-670 m三個無軌開采中段。上部和下部兩個采區同時生產,各采區均按從下往上開采順序進行開采。首采中段為-490 m中段和-670 m中段。

2)模型方案

盤區沿走向布置,長度120 m,中段高度60 m,盤區內垂直走向劃分采場,5個采場組成一個盤區。為了得到最優的盤區礦柱設計尺寸,將盤區礦柱的寬度設計為20 m、30 m、40 m以及34 m與26 m交替布置的四種情況,分別進行模擬計算。在模型中布置垂直Y軸的剖面A-A′和垂直Z軸的剖面B-B′,具體如圖4所示。擬分析的A-A′剖面布置在穿過深部礦體正中央的位置;擬分析的B-B′剖面布置在-494 m水平。

圖4 模型剖面布置

3)模擬步驟

采礦工程的力學特點是巖體力學行為與開采歷史和開采過程有關,結合礦山地下開采規劃方案,確定數值模擬的計算過程。

(1)計算在給定邊界力學與位移邊界條件下模型的初始狀態。

(2)模擬露天坑的形成過程,模擬掛幫礦的開采過程。

(3)在盤區礦柱分別為20 m、30 m、40 m以及34 m和26 m間隔布置四種方案下,模擬地下開采過程,分析研究地下開采過程中預留礦柱及周邊巖體的穩定性特征。

4 礦柱穩定性分析

4.1 數值模擬結果

為研究盤區礦柱寬度對其穩定性的影響,根據數值模擬結果,得到三種不同盤區礦柱寬度(20 m、30 m和40 m)方案下地下開采后Y軸的剖面A-A′和水平剖面B-B′的塑性區分布及最大主應力分布情況,具體如圖5至圖8所示。

圖5 地下開采后A-A′剖面的塑性區分布

圖6 地下開采后B-B′剖面的塑性區分布

圖7 地下開采后A-A′剖面最大主應力分布

圖8 地下開采后B-B′剖面最大主應力分布

數值模擬結果顯示,當盤區礦柱寬為20 m時,地下開采結束后,礦柱處于高應力狀態,最大主應力值約為23 MPa,處于塑性破壞狀態;當盤區礦柱寬為30 m時,地下開采結束后,礦柱處于高應力狀態,但未進入塑性狀態,盤區礦柱的最大主應力值約為19 MPa,礦柱較好的保護了開采區域的穩定性;當盤區礦柱寬為40 m時,地下開采結束后,礦柱處出現應力集中,但未進入塑性狀態,盤區礦柱的最大主應力值約為16 MPa,礦柱保護了開采區域的穩定性,但經濟性相對較差。

綜合考慮三種盤區礦柱寬度方案下的模擬結果,認為盤區礦柱寬度為30 m的方案優于盤區礦柱寬度為20 m和40 m的方案。

4.2 優化設計

為了最優化盤區礦柱的尺寸,盤區礦柱寬度設置為34 m與26 m交替變化方案下地下開采后的塑性區分布及最大主應力分布情況如圖9至圖12 所示。

圖9 地下開采后A-A′剖面的塑性區分布

圖10 地下開采后B-B′剖面的塑性區分布

圖11 地下開采后A-A′剖面最大主應力分布

圖12 地下開采后B-B′剖面最大主應力分布

當盤區礦柱寬為34 m與26 m交替變化時,地下開采結束后,礦柱處于高應力狀態,但未進入塑性狀態,盤區礦柱的最大主應力值約為18 MPa,礦柱較好的保護了開采區域的穩定性。相較于盤區礦柱均設置為30 m,礦柱的最大主應力值基本不變。

綜合考慮上述幾種盤區礦柱寬度方案下的模擬結果,認為盤區礦柱寬度為34 m與26 m交替的方案最優。

5 結論

本文采用數值模擬方法對某露天礦山盤區礦柱的塑性分布和應力場特征進行了分析,得出以下結論。

(1)地下開采盤區礦柱具有良好的承載作用,采用數值模擬方法,能夠反映多礦柱開采工況時上覆巖層及礦柱自身的穩定情況,是地下開采礦柱設計的有利工具。

(2)盤區礦柱寬較小時,礦柱處于相對較高應力和塑性破壞狀態;隨著礦柱寬度的增大,塑性破壞分布區域減少,最大主應力值降低,礦柱較好的保護了開采區域的穩定性;從經濟性方面考慮,認為盤區礦柱寬度為30 m的方案優于盤區礦柱寬度為20 m和40 m的方案。

(3)采用盤區礦柱寬度34 m與26 m交替變化方案,礦柱處于高應力狀態,但未進入塑性狀態,礦柱能夠較好保護開采區域的穩定性,為最優方案。