不同礦體厚度二步驟空場嗣后充填采場寬度優化研究

莫靜,曹易恒,田長林,張然

(江西銅業股份有限公司武山銅礦,江西 瑞昌市 332204)

0 引言

采場結構參數的選取是否合理,是決定回采是否安全的關鍵前提之一[1]。眾多專業技術人員采用數學計算方法或數值模擬等方式對采場的結構參數開展了成效顯著的研究。任紅崗等[2]利用層次法構建評價指標體系,對每一層次的各要素進行比較,實現分段空場嗣后充填采礦法的采場結構參數的定性和定量綜合評價;胡建華等[3]針對采場結構參數各評價指標之間的線性關系不明確問題,基于KPCA降低指標數量和維度,并用PCA 驗證對比評價結果,顯著提高了采場結構參數優化結果的科學性;萬串串、趙興東、王金波等[4-6]綜合采用Barton采場寬度經驗公式、Lang B臨界跨度和WANG J神經網絡圖表法計算確定采場極限跨度,并采用Mathews穩定圖法優化采場結構參數;黃明清等[7]采用FLAC2D軟件在二維平面上模擬采場開挖活動,對緩傾斜中厚礦體空場嗣后充填法的采場結構參數進行了優化研究。隨著軟件的發展,三維數值模擬研究方法逐漸被更多的學者采用,研究了階段空場嗣后充填法采場、分段空場嗣后充填采礦法采場、不良充填體二步驟采場等回采區域的采場結構參數,成果顯著[8-13]。

某鐵礦有3個礦床,為了滿足回采安全和平衡生產需求,在考慮開采技術條件和開采現狀的基礎上,選擇進路充填法與分段鑿巖階段空場嗣后充填聯合采礦法。一步驟采場采用進路充填采礦法,二步驟采場采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。該礦礦體厚度在10～50 m 之間,由于變化大,二步驟采場的寬度難以統一,為了制定合理的采場結構參數,保證安全開采,兼取良好的技術經濟效果,需要對二步驟采場的具體寬度進行優化研究。

1 二步驟采場寬度優化研究方案

該鐵礦3個礦床在礦區平面范圍內可互相連為一體,主礦體厚度在10～50 m 范圍內變化,礦體傾角為10°～50°,礦權開采深度為－140～－700 m,礦體穩定性中等至差,圍巖多為Ⅳ至Ⅴ級,穩定性差至不穩定。

該礦分兩步驟回采,一步驟采用進路充填采礦法,二步驟采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法,一步驟采場寬為12～15 m,二步驟采場寬為12～15 m,沿礦體走向布置采場,盤區寬度為72～90 m,每個盤區劃分為3個一步驟采場和3個二步驟采場,采礦方法示意見圖1。

1.1 模型的建立

通過對采區礦體賦存特點的簡單統計分析,依據進路充填法與分段中深孔嗣后充填聯合采礦法的技術特點,建立單階段礦體模型,階段高50 m,傾角為30°,考慮到3個礦體的平均厚度均為10～50 m,因此本研究選取礦體厚度分別為20 m、30 m 及40 m 三種情況進行對比分析,模擬埋深為550 m,共建立9個模型,模型長×寬×高均為1440 m×630 m×750 m,對比分析方案模型編排見表1。數值計算三維模型和采場布置如圖2和圖3所示。

表1 對比分析方案模型編排

圖2 數值計算三維模型

圖3 采場布置

1.2 本構模型與力學參數

采用摩爾-庫侖力學模型,模型前后左右及下邊界為固定位移約束,上表面為自由面,重力方向為Z軸負向。由于頂底板圍巖及層間夾石的巖性種類較多,巖性變化復雜,逐一呈現各圍巖巖性過于復雜,因此適當簡化得到礦體和圍巖及充填體力學參數,具體見表2。

表2 礦體、圍巖和充填體力學參數

根據聯合采礦方法回采技術的特點,結合對比分析方案的編排,為盡可能模擬礦體“采充”循環向下發展過程中應力、應變的疊加演變,沿走向布置3個盤區,模擬進行中間盤區的23次開采充填循環。

2 模擬結果分析

因篇幅限制,本文僅列出模型4、模型5、模型6的數值模擬計算結果,其余模型的對應結果以數據表格的形式呈現。

2.1 主應力分析

2.1.1 最小主應力分析

盤區二步驟采場開采后,一步驟進路采場充填體的最小主應力為負值,表現為壓應力;二步驟采場頂底板和圍巖的大部分區域最小主應力為正值,表現為拉應力。大部分受拉區域的拉應力小于圍巖的抗拉強度,模型4、模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力分別為0.38 MPa、0.42 MPa、0.44 MPa,模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力接近抗拉強度,此處有較大可能會發生拉破壞。3個模型二步驟采場開挖后最小主應力分布特征如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 模型4二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

圖5 模型5二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

圖6 模型6二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

2.1.2 最大主應力分析

盤區二步驟采場開采后,一步驟進路采場充填體內的最大主應力為負值,表現為壓應力,模型10、模型11、模型12一步驟進路采場充填體內最大壓應力分別為2.5 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa。隨著二步驟采場寬度的增大,最大主應力分布(紅色部分,見電子版)在一步驟采場充填體內往兩邊擴散,中間區域開始出現數值更大的淺紅色的數值云圖,說明一步驟采場充填體承擔的壓應力越來越大,且在充填體內中間部分承壓最大,而且采場頂底板和圍巖的最大主應力也逐漸增大。3個模型二步驟采場開挖后最大主應力分布特征如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 模型4二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

圖8 模型5二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

圖9 模型6二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

2.2 豎向位移分析

模擬開采完整個盤區后,模型10、模型11、模型12盤區的頂部和上盤有沉降,沉降量最大處位于盤區礦體的上盤中部,其值分別為110.4 mm、117.0 mm、118.0 mm;底部和下盤有鼓脹,底鼓量最大處位于盤區礦體的下盤中部,其值分別為83.1 mm、89.6 mm、96.5 mm,最大沉降量和最大鼓脹量隨著二步驟采場寬度的增加而增大。3個模型二步驟采場開挖后豎向位移分布特征如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 模型4二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

圖11 模型5二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

圖12 模型6二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

2.3 塑性區分析

盤區二步驟采場開采后,采場頂板存在剪切破壞和拉伸破壞,底板主要為拉伸破壞,側幫充填體主要為剪切破壞。上盤和下盤均存在剪切破壞和拉伸破壞,隨著二步驟采場寬度的增加,模型4、模型5、模型6當前狀態的塑性區體積分別為22 471.2 m3、31 881.5 m3、41 381.8 m3。

一步驟進路采場充填體主要發生剪切破壞,且剪切破壞區域幾乎完整覆蓋一步驟進路采場充填體,其原因是二步驟采場一次開采量過大,空場高度和跨度過大,使得一步驟采場的充填體承擔盤區內的主要壓力,而充填體的載荷能力和抗剪強度相較于礦巖小得多。這說明進行二步驟回采的時候,一步驟采場充填體剪切破壞嚴重,二步驟采場空場時一步驟采場充填體有垮塌風險,因此建議二步驟采場隔一采一。3個模型二步驟采場開挖后塑性區分布特征如圖13,圖14,圖15所示。

圖13 模型4二步驟采場開挖后塑性區分布特征

圖14 模型5二步驟采場開挖后塑性區分布特征

圖15 模型6二步驟采場開挖后塑性區分布特征

2.4 方案比較

礦體厚度為20 m 的模型1至模型3隨著二步驟采場寬度的增加,主應力、豎向位移、塑性區體積也隨之增大,采場生產安全性逐漸下降。綜合平衡考慮回采安全性和盤區生產能力要求,推薦礦體厚度20 m 的二步驟分段中深孔嗣后充填法采場寬度選取為12 m。

礦體厚度為30 m 的模型4至模型6隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,模型4的二步驟采場頂板最大拉應力低于首采層抗拉強度,差幅較大,塑性區面積最小,發生大面積塑性破壞的可能性較小;模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力接近首采礦層抗拉強度,塑性區面積大,此處有較大可能會發生大面積的拉伸破壞。綜合平衡考慮回采安全性和盤區生產能力要求,推薦礦體厚度30 m 的二步驟分段中深孔嗣后充填法采場寬度選取為10 m。

礦體厚度為40 m 的模型7至模型9隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,模型7的二步驟采場頂板最大拉應力低于首采礦層抗拉強度,塑性區面積最小,發生大面積塑性破壞的可能性較小;模型8、模型9的二步驟采場頂板最大拉應力大于首采層抗拉強度,塑性區面積大,此處有較大可能發生大面積塑性破壞。綜合平衡考慮回采安全性和盤區生產能力要求,礦體厚度為40 m 時,二步驟分段中深孔嗣后充填法采場推薦寬度為10 m。

各模型的數值模擬計算結果見表3。

表3 各模型數值模擬計算結果

3 結論

(1)二步驟采場頂底板和圍巖的大部分區域最小主應力為正值,表現為拉應力,大部分受拉區域的拉應力小于圍巖的抗拉強度,隨著二步驟采場寬度的增加,一步驟進路采場充填體內的壓應力數值也隨之增大。

(2)盤區二步驟采場開采后,采場頂板存在剪切破壞和拉伸破壞,底板主要為拉伸破壞,上盤和下盤均存在剪切破壞和拉伸破壞,一步驟進路采場充填體主要發生剪切破壞。

(3)隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,綜合平衡考慮回采安全性和盤區生產能力要求,推薦礦體厚度20 m 的二步驟采場寬度為12 m,礦體厚度30 m、40 m 的二步驟采場寬度為10 m。