殘礦回采順序優(yōu)化與復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性的有限元模擬研究

沈慧明,許振華,朱利平,石 飛

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330002；3.江西香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司，江西 修水 332438)

在大多數(shù)采用房柱或全面法的金屬礦山中，礦柱或殘留礦壁是反映和決定采場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元。礦柱結(jié)構(gòu)破壞，必然引發(fā)采場(chǎng)力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，甚至影響整個(gè)采空區(qū)穩(wěn)定性[1]。特別是在超高超大空區(qū)條件下，由于支撐體(礦柱或殘留礦壁)本身的受力狀態(tài)已接近臨界狀態(tài)，所以任何一點(diǎn)微小的應(yīng)力改變或轉(zhuǎn)移，都可能對(duì)整個(gè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。因此，選擇合理的殘礦回采順序，弄清不同回采順序下礦柱和采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力傳播機(jī)理及變形趨勢(shì)，就顯得尤為重要。同時(shí)，采空區(qū)的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)本身是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)于江西省修水香爐山鎢礦而言，由于采空區(qū)具有數(shù)量多、分布廣、錯(cuò)綜復(fù)雜等特點(diǎn)，想用傳統(tǒng)的方法選擇出合理的殘礦回采順序并不一定可靠。為此，本文根據(jù)采空區(qū)的具體位置、圍巖特性、總體殘采順序等已知條件，針對(duì)W3采場(chǎng)進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析，以期得到不同回采順序條件下，采空區(qū)圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律、礦柱及頂?shù)装宓奈灰谱冃乌厔?shì)及采空區(qū)變形的影響范圍，給礦山制定安全有效的殘礦回采順序和空區(qū)處理方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 礦床開(kāi)采現(xiàn)狀

香爐山鎢礦區(qū)位于江西省修水縣鎮(zhèn)內(nèi)，屬港口鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)面積5.3km2，海拔高程300～803m。礦床類型為矽卡巖型白鎢礦床，礦體埋深40～300m，礦體產(chǎn)狀與香爐山背斜一致，北西翼平均傾角7°，南東翼平均傾角38°。礦體厚2.55～45.59m，平均品位0.705%。具有礦體厚度大、傾角緩、礦石品位高等特點(diǎn)，且礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固，圍巖含水率低，開(kāi)采技術(shù)條件較好。巖層與礦體對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 巖層與礦體對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

該礦東區(qū)由于前期破壞性的民采，已經(jīng)形成相當(dāng)規(guī)模的采空區(qū)，后經(jīng)資產(chǎn)重組和礦山整合，五礦有色金屬股份有限公司對(duì)香爐山鎢礦控股，對(duì)礦區(qū)資源開(kāi)發(fā)進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃，加強(qiáng)了礦山井下生產(chǎn)的規(guī)范管理。先后采取了微震地壓監(jiān)測(cè)、增加人工礦柱支撐頂板、采用機(jī)械化采礦，以提高效率的減少井下作業(yè)人數(shù)等技術(shù)措施，極大的改善了井下的安全作業(yè)條件。但由于作業(yè)人員和設(shè)備頻繁暴露于空?qǐng)鱿?，因此，殘礦回采順序的合理規(guī)劃與技術(shù)措施，對(duì)控制區(qū)域系統(tǒng)地壓、防止災(zāi)害地壓仍具有重要意義。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 研究對(duì)象

根據(jù)殘礦總體回采順序的要求，以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)與采空區(qū)地壓調(diào)查、次生應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)及聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果等，確定香爐山鎢礦五坑口W3采場(chǎng)作為主要研究對(duì)象之一。其次，考慮到大部分殘留礦量分布在頂板，且承受殘礦回收后的主要承載結(jié)構(gòu)是23#礦柱，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，礦柱的破壞往往是大規(guī)模巖移的突破口。所以，將五坑口23#礦柱作為另一主要研究對(duì)象，著重模擬不同回采順序情況下對(duì)該礦柱穩(wěn)定性的影響。

五坑口23#礦柱周邊目前主要是挑頂工作，根據(jù)后退式回采順序的要求，礦柱以西及西南方向基本已完成挑頂工作，形成最終空區(qū)高度約為19m，跨度最大處約為24.09m?，F(xiàn)主要針對(duì)該礦柱以東及東南方向的部分挑頂?shù)V體，據(jù)地質(zhì)部門測(cè)算，此部分挑頂工作礦體厚約為7m，W3采場(chǎng)礦量約為1.6萬(wàn)t。按100t/臺(tái)班、1臺(tái)班/d估計(jì)，此采場(chǎng)可以服務(wù)5.7個(gè)月。挑頂完成后，此部分形成的空區(qū)高約為13～14m，最大跨度約為10.96m。具體礦柱、采場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。

圖2 五坑口W3采掘平面圖

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠程度，在一定程度上取決于巖體宏觀力學(xué)參數(shù)選取的合理性。由于現(xiàn)場(chǎng)具體條件及技術(shù)上存在的問(wèn)題，在礦山進(jìn)行原位大型巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)是十分困難的。目前普遍采用的方法是，依據(jù)巖塊試樣的物理力學(xué)參數(shù)和巖體分級(jí)指標(biāo)RMR 值，按照Hoek-Brown 提出的節(jié)理巖體經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則(修正)，對(duì)巖體宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程處理[2]。經(jīng)過(guò)處理的巖體力學(xué)參數(shù)，匯總于表1中。

2.3 力學(xué)模型的建立

本次計(jì)算采用日本軟腦株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析系統(tǒng)3D-δ。該分析系統(tǒng)能按輸入的宏觀條件，自動(dòng)生成各種有限元數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，具備一般施工所需要的非線性、彈塑性分析、熱應(yīng)力和慣性力分析，特別適合回采順序優(yōu)化定性規(guī)律分析研究，是目前巖土工程界廣泛應(yīng)用的有限元分析系統(tǒng)[3]。

表1 經(jīng)工程處理的巖體力學(xué)參數(shù)匯總表

為了簡(jiǎn)化研究結(jié)構(gòu)巖體,本設(shè)計(jì)選取模型尺寸為200m×200m。地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，開(kāi)采部位距地表的平均深度約160m。模型底部采用垂直方向約束，其余側(cè)面均采用水平方向約束。模型未開(kāi)挖前，共有單元32670個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為140484個(gè)，滿足一般數(shù)值分析的要求。計(jì)算網(wǎng)格模型和礦柱及采空區(qū)計(jì)算模型，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型

圖4 礦柱及采空區(qū)計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)初步確定的總體殘采順序及選定的采礦方法，本文首先針對(duì)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，然后就不同回采順序條件下，W3采場(chǎng)礦柱及頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，最終通過(guò)數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定最優(yōu)的殘礦回采順序。為了便于敘述，將初步篩選后的兩種不同回采順序，分別編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ?；夭身樞颌駷?3#礦柱以東及東南部分，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，一次不間斷由礦柱向周邊后退式挑頂回采至14m，即不待應(yīng)力進(jìn)行重新分布，就一次完成挑頂回采工作；回采順序Ⅱ?yàn)?3#礦柱以東及東南部分，在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，先停下來(lái)一段時(shí)間，待圍巖二次應(yīng)力重分布完成后，再繼續(xù)由周邊向礦柱前進(jìn)式挑頂回采。通過(guò)對(duì)W3采場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析，得出了不同回采順序條件下，23#礦柱及采空區(qū)周圍圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。限于篇幅，在此僅列出部分典型計(jì)算后的應(yīng)力、位移云圖?，F(xiàn)將模擬結(jié)果及分析詳述如下：

3.1 現(xiàn)狀模擬

為了對(duì)比模擬效果，首先針對(duì)開(kāi)采現(xiàn)狀進(jìn)行模擬。此時(shí)23#礦柱以東及東南方向未挑頂前，礦柱以西空區(qū)高約為19m，礦柱以東空區(qū)高約為7m。由圖5可以看出，23#礦柱σy方向最大壓應(yīng)力為3.06MPa，主要分布在礦柱中上部；最大拉應(yīng)力值為0.35MPa，分布在采場(chǎng)頂板，空區(qū)圍巖存在的最大破壞隱患來(lái)自于頂板圍巖的受拉破壞；剪應(yīng)力最大值為1.032MPa，發(fā)生在礦柱的四個(gè)邊角。另外，由圖6可知，23#礦柱Y方向位移最大為1mm，發(fā)生在整個(gè)空區(qū)偏右方向，并不是傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的大跨度中部。因此，此類問(wèn)題需結(jié)合整個(gè)空區(qū)的尺寸而定，而不是僅僅局限于一個(gè)局部空區(qū)的跨度。且在數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看，此位移值較小，這是由礦床硬巖性質(zhì)決定的。

3.2 回采順序Ⅰ模擬

由于W3采場(chǎng)空區(qū)高度較高(最終空區(qū)高度約為19m)，跨度較大(跨度最大處約為24.09m)，空區(qū)暴露面積高達(dá)1200m2。因此，曾有部分工程師提出“強(qiáng)采強(qiáng)出，快速挑頂回采后封閉空區(qū)”的做法，即“23#礦柱以東及東南部分，在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上不待應(yīng)力進(jìn)行重新分布，就一次不間斷由礦柱向周邊后退式挑頂回采至14m”。對(duì)此，本文將此回采順序作為回采順序Ⅰ進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。由圖7可知，23#礦柱σy方向最大壓應(yīng)力為2.49MPa，分布在礦柱中上部；最大拉應(yīng)力值為0.29MPa，分布在采場(chǎng)頂板；剪應(yīng)力最大值為0.834MPa，仍然發(fā)生在礦柱的四個(gè)邊角。通過(guò)數(shù)值模擬表明，不論其壓應(yīng)力、拉應(yīng)力及剪應(yīng)力最大值均小于現(xiàn)狀模擬數(shù)值(礦柱東側(cè)未挑頂前)，這是由于礦體本身賦存不深，隨著挑頂工作的推進(jìn)，大量頂板礦量被采出，減輕了上覆礦體對(duì)礦柱的壓力，因此數(shù)值上小于現(xiàn)狀模擬較為正常。同時(shí)由此可以得出，對(duì)于埋藏較淺的礦體，適當(dāng)?shù)奶繇斝遁d，有利于采空區(qū)的整體穩(wěn)定。另外，由圖8可以看出來(lái)，Y方向位移值最大為1mm，分布在臨近礦柱的兩邊，但位移區(qū)域較現(xiàn)狀明顯增大，且隨著挑頂回采的增高，礦柱東部也出現(xiàn)位移增大區(qū)。

3.3 回采順序Ⅱ模擬

為了探索更加合理的最優(yōu)回采順序，作者對(duì)回采順序Ⅱ進(jìn)行了數(shù)值模擬，即“23#礦柱以東及東南部分在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，先停下來(lái)一段時(shí)間，待圍巖二次應(yīng)力重分布完成后，再繼續(xù)由周邊向礦柱前進(jìn)式挑頂回采”。由圖9可知，23#礦柱σy方向最大壓應(yīng)力為2.46MPa，分布在礦柱里側(cè)中上部；最大拉應(yīng)力值為0.26MPa，分布在采場(chǎng)頂板；剪應(yīng)力最大值為0.804MPa，發(fā)生區(qū)域雖然仍為礦柱的四個(gè)邊角，但剪應(yīng)力明顯減小，證明此回采順序，可以在一定程度上緩解礦柱多重剪切帶的形成，延緩了礦柱的漸進(jìn)式破壞。另外，由圖10可知，23#礦柱Y方向位移最大為1mm，分布在礦柱的西側(cè)，位移數(shù)值上與回采順序Ⅰ相近，但位移區(qū)域明顯減小。數(shù)值結(jié)果表明，不論從應(yīng)力數(shù)值上，還是拉應(yīng)力區(qū)域上，回采順序Ⅱ較回采順序Ⅰ均有了明顯減小，證明采用回采順序Ⅱ更為科學(xué)，更為合理安全。

圖5 現(xiàn)狀模擬下23#礦柱σy方向應(yīng)力等色圖

圖6 現(xiàn)狀模擬下23#礦柱Y方向位移等色圖

圖7 回采順序Ⅰ模擬下23#礦柱σy方向應(yīng)力等色圖

圖8 回采順序Ⅰ模擬下23#礦柱Y方向位移等色圖

圖9 回采順序Ⅱ模擬下23#礦柱σy方向應(yīng)力色圖

圖10 回采順序Ⅱ模擬下23#礦柱Y方向位移等色圖

4 結(jié)論

綜合以上殘礦回采順序及采空區(qū)穩(wěn)定性的巖石力學(xué)數(shù)值分析結(jié)果，并結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)踐，得到以下結(jié)論：

(1)江西省修水香爐山鎢礦W3采場(chǎng)宜采用 “23#礦柱以東及東南部分在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，先停一段時(shí)間，待應(yīng)力進(jìn)行重新分布后，再繼續(xù)由周邊向礦柱前進(jìn)式挑頂上采至14m”的殘礦回采順序。

(2)采空區(qū)頂板在挑頂回采過(guò)程中，拉應(yīng)力比較集中，特別是人為采動(dòng)影響下，一定要高度重視頂板圍巖的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作，嚴(yán)防事故發(fā)生。

(3)數(shù)值模擬表明，剪切應(yīng)力仍是礦柱破壞的主要威脅，礦柱破壞形式以多重剪切帶的韌性剪切破壞為主，且剪切帶常發(fā)生在礦柱的四個(gè)邊角，之后向礦柱內(nèi)部發(fā)展，呈現(xiàn)漸進(jìn)式破壞特征。

(4)對(duì)于采用全面或房柱法開(kāi)采埋藏較淺礦體的金屬礦山，在礦柱完整性和穩(wěn)定性較好的條件下，適當(dāng)?shù)奶繇斝遁d，有利于采空區(qū)的整體穩(wěn)定。

[1] 趙奎,任育林,金解放,等.留礦法礦柱回采穩(wěn)定性計(jì)算方法及其工程應(yīng)用[J].有色金屬(礦山部分),2005,57(2):12-13.

[2] B.H.G.布雷迪,E.T.布朗.馮樹(shù)仁，等譯.地下采礦巖石力學(xué)[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版,1990.

[3] 趙奎.殘留礦柱回采與空區(qū)穩(wěn)定性的有限元模擬研究[J].采礦技術(shù),2002,2 (2):51-53.