數(shù)值模擬在分層充填法采場參數(shù)選擇中的應(yīng)用

楊家冕 劉人恩 王 星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實驗室; 3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心;4.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司)

1 地質(zhì)概況

1.1 水文地質(zhì)條件

蒼山鐵礦礦區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，降水通過基巖裂隙直接補(bǔ)給，是泰山群山草峪組、寒武系、震旦系裂隙水補(bǔ)給來源之一。第四系在本區(qū)分布不廣，一般分布于地形低洼處及河流兩側(cè)，接受大氣降水和河流補(bǔ)給，僅在枯水期補(bǔ)給河水。第四系孔隙水亦是基巖裂隙水的補(bǔ)給來源，礦體與圍巖中含有不均勻的裂隙水，富水性弱，透水性差。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦體頂板為黑云母長英變粒巖類巖石，按普氏分類法屬I～Ⅲ級，由上而下，由堅硬變?yōu)闃O堅硬，密度2.68～3.46 t/m3，抗壓強(qiáng)度83.5～201.2 MPa。礦石垂直抗壓強(qiáng)度47.7～314.6 MPa，平均值210.4 MPa，抗剪強(qiáng)度5.2～46.7 MPa，平均34 MPa，其普氏系數(shù)在5～31，平均為21。礦體底板角閃巖類巖石，屬Ⅱ級極堅硬巖石，密度2.74～3.12 t/m3，抗壓強(qiáng)度24.1～185.2 MPa，內(nèi)摩擦角大于80°?？傮w來說，礦床工程地質(zhì)條件良好，作用于坑道之上土石壓力不大，適宜井下工程建設(shè)。

1.3 礦體特征

蒼山鐵礦主礦體賦存于泰山群山草峪組變質(zhì)巖層中，呈鞍狀，沿南北翼展布，走向一般為290°，兩翼傾角多為30°左右，局部地段傾角大于45°。礦體走向長約2.5 km，厚度4～25 m。

2 采礦方法

由于蒼山鐵礦礦區(qū)地表有農(nóng)田、民房等需要保護(hù)的對象，地表不允許塌陷，所以崩落采礦法不予以考慮。依據(jù)礦體賦存特點(diǎn)與礦床開采技術(shù)條件，考慮到地表不允許沉降、要求保護(hù)的事實，及礦山有用元素品位低，只能通過采用高效、大規(guī)模開采才能贏利的實際情況，在對國內(nèi)外資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，首先提出了“盤區(qū)機(jī)械化分層尾砂充填采礦法”、“盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式大分層尾砂充填采礦法”這2個初選方案。在此基礎(chǔ)上，采用巖石力學(xué)相關(guān)理論，并應(yīng)用計算機(jī)數(shù)值模擬與分析，然后通過綜合經(jīng)濟(jì)比較分析法確定“盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式分層尾砂充填采礦法”作為礦山采礦的主體方案。

標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)點(diǎn)柱式上向水平分層充填法如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)點(diǎn)柱式上向水平分層充填法(單位為m)

3 采場參數(shù)初選

盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填法的采場參數(shù)選取依據(jù)主要就是采場點(diǎn)柱所控制的采場面積大小，即采場點(diǎn)柱的尺寸及點(diǎn)柱間的距離。

對于空場采礦法中的礦柱來說，其安全系數(shù)通常都認(rèn)為應(yīng)大于1，特別是有礦柱擠壓趨勢的堅硬礦巖。分層充填采礦法礦房中的點(diǎn)柱設(shè)計與其他空場法開采時的礦柱相同，都是以礦柱的強(qiáng)度和作用在礦柱上的最大垂直載荷為基礎(chǔ)，載荷的大小按面積理論確定。但礦柱作用機(jī)理的實驗室和現(xiàn)場的工業(yè)試驗研究結(jié)果表明:在充填體中的礦柱的破壞是與充填體同時逐漸形成的，不會產(chǎn)生突然的破壞，從而能有效地防止頂板冒落。因此，礦柱的安全系數(shù)接近1，設(shè)計按1選取，即礦柱強(qiáng)度等于礦柱的載荷時，就可以穩(wěn)定地支撐頂板。

根據(jù)國內(nèi)外類似礦山和點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及蒼山鐵礦的開采技術(shù)條件及開采現(xiàn)狀，根據(jù)Biwniawski所提出的礦柱強(qiáng)度的設(shè)計公式計算出合適的點(diǎn)柱尺寸后，確定采場內(nèi)最大暴露面積按3組(400 m2、500 m2和600 m2)分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4 數(shù)值分析

近年來發(fā)展起來的FLAC程序能模擬巖體從小變形到大變形以及破壞全過程，是一種很有效的數(shù)值計算手段。因此利用專門針對巖土工程開發(fā)的有限差分程序FLAC3D對蒼山鐵礦采場的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。

4.1 計算模型建立及邊界條件確定

數(shù)值模擬模型的范圍大小及單元的劃分對數(shù)值模擬結(jié)果的精度及可靠性有著十分重要的影響，在計算機(jī)條件允許的情況下，計算域盡可能取大些，至少應(yīng)能夠基本保證由于開挖引起的圍巖最大移動范圍或變形范圍處于計算區(qū)域以內(nèi)。

本次計算結(jié)合蒼山鐵礦的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及所用的點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法的特點(diǎn)，為完全模擬開采過程、頂板圍巖受采動影響的過程、開采過程中點(diǎn)柱的穩(wěn)定性，以蒼山鐵礦32～56勘探線剖面圖中具有代表性的36線、38線、38'線、41線、41'線、42線、44線、48線以及55線剖面圖為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沿礦體走向方向進(jìn)行采礦作業(yè)的研究，進(jìn)行數(shù)值模擬。最終確定以下3組模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)值計算:

模型1。暴露面積為400 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型2。暴露面積為500 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型3。暴露面積為600 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

由于計算時模型的尺寸已經(jīng)考慮了采場開挖以后造成的影響范圍，故而只需于模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型于前后及左右方向均施加水平方向約束，于模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面。

4.2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)蒼山鐵礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計算的要求，經(jīng)歸類及工程處理后，考慮了3種力學(xué)介質(zhì):上盤，黑云母角閃片巖;下盤，磁鐵角閃片巖;礦體，磁鐵礦石。在數(shù)值模擬過程中所用力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

4.3 模擬計算方案

影響采場穩(wěn)定性及充填效果的因素很多，一般主要有礦巖賦存環(huán)境、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采方式、開采順序以及開采擾動等實際開采情況。為盡可能真實地反映礦體開采及充填的實際情況，并使得模擬開采在正確的應(yīng)力環(huán)境中進(jìn)行，數(shù)值計算按以下幾個步驟進(jìn)行。

(1)形成初始應(yīng)力場。根據(jù)建立的模型，按照以上主應(yīng)力與垂直深度的變化關(guān)系形成初始應(yīng)力場，使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)構(gòu)建采場開采模型。在模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后，進(jìn)行采場開采模型的構(gòu)建。本次數(shù)值模擬對象為－140 m中段采場，確定盤區(qū)采場長度為100 m，寬度為礦體厚度，采場高度為階段高度，即為50 m。

(3)模擬計算空場條件下最大可暴露面積。本次數(shù)值模擬根據(jù)礦體賦存條件及其初步設(shè)計擬定的礦山開采順序，單采場條件下，分別計算暴露面積為400 m2、500 m2、600 m2的采場圍巖應(yīng)力變化情況及采場頂板位移情況，進(jìn)而判斷在空場條件下采場的最大可暴露面積。

4.4 結(jié)果分析

3 種暴露面積下采場的最大主應(yīng)力模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 暴露面積400 m2時最大主應(yīng)力云圖

由以上模擬結(jié)果可知，在單空區(qū)條件下，不同暴露面積時，采場上覆巖層中的最大和最小主應(yīng)力分布均存有共性，即呈層狀分布;另外，采場周圍的主應(yīng)力基本呈對稱狀分布。頂板暴露面積為400 m2時，最大主應(yīng)力為10.457 MPa，出現(xiàn)于采場下部兩側(cè)，并且在采場頂部角隅處6 m左右伴隨有應(yīng)力集中現(xiàn)象，采場頂板最大位移量為6.728 mm。暴露面積為500 m2時，采場周圍應(yīng)力狀態(tài)與400 m2時大致相同，最大主應(yīng)力為10.476 MPa，在頂板角隅處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板最大位移量為7.024 mm。暴露面積為600 m2時，最大主應(yīng)力為10.515 MPa，但此時采場頂板最大位移量達(dá)1.472 cm，呈明顯上升趨勢，比上2個位移值增加了1倍左右，而且采場頂板有2 m左右范圍處于拉伸狀態(tài)，兩幫區(qū)域處于剪切狀態(tài)。

圖4 暴露面積600 m2時最大主應(yīng)力云圖

結(jié)合以上分析結(jié)果，在單采場條件下，采場寬度在12 m以內(nèi)，高度在8 m內(nèi)的情況下，頂板最大安全暴露面積控制在500 m2以內(nèi)，頂板安全是比較可靠的，但在節(jié)理裂隙發(fā)育地段需另做研究。

5 采場參數(shù)的確定

根據(jù)國內(nèi)外類似礦山的開采技術(shù)條件、點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀、開拓現(xiàn)狀以及模擬的結(jié)果，確定采場要素為:中段高度50 m，沿礦體走向劃分為開采盤區(qū)，盤區(qū)長為礦體東西向長度400 m(盤區(qū)內(nèi)劃分4個回采單元，每個回采單元長度為100 m)，寬度為2層礦體的厚度，盤區(qū)間留盤區(qū)礦柱20 m，頂柱高4 m，分段高度15 m，設(shè)計采高4 m，分層控頂高度為6 m左右，第一回采分層開采時可適當(dāng)放大回采高度，但原則上不允許超過8 m的控頂高度。采場內(nèi)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m，點(diǎn)柱中心間距根據(jù)現(xiàn)場礦體寬度確定，但控制最大暴露面積不應(yīng)超過500 m2。

6 結(jié)語

通過數(shù)值模擬結(jié)果，將原來的最大采場暴露面積400 m2增大到現(xiàn)在的500 m2，不僅為采場點(diǎn)柱的留設(shè)提供了理論依據(jù)，還增加了資源的回收率。通過蒼山鐵礦近2 a的回采實踐的檢驗，所確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是安全、經(jīng)濟(jì)、合理的。

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