余華寺礦地表尾礦干堆對地下開采的影響研究

李俊超 許夢國 甘仕偉 雒 凱 余 涵

（冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室）

余華寺礦地表尾礦干堆對地下開采的影響研究

李俊超 許夢國 甘仕偉 雒 凱 余 涵

（冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室）

為了研究地表尾礦干堆對井下開采的影響，建立了余華寺礦區(qū)三維模型，利用FLAC3D分析軟件，對地表尾礦干堆進行了模擬，最終得出地表干堆對井下生產(chǎn)水平的應力和位移幾乎沒有影響，而對近地表部分影響大。上盤礦巖接觸帶和礦體走向兩端出現(xiàn)了高應力區(qū)，需要對此處重視并采取有效措施，以保證礦山正常生產(chǎn)。

尾礦干堆 數(shù)值模擬 地壓

金山店鐵礦是武鋼三大地下鐵礦山之一，現(xiàn)礦山尾礦處理仍采用傳統(tǒng)的濕式尾礦入庫堆存方式，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進行，原設(shè)計尾礦庫逐漸接近庫容上限。為了解決目前面臨的尾礦處置［1］難題，經(jīng)過科研論證，金山店鐵礦將在余華寺礦區(qū)地表露天坑進行尾礦干堆［2］排放。

1 余華寺礦區(qū)概況

余華寺礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造上位于保安復式背斜南翼，金山店侵入體北緣西段，地層主要為三迭系上統(tǒng)蒲圻群紫色砂頁巖和中統(tǒng)嘉陵江灰?guī)r，受區(qū)域構(gòu)造的控制呈近東西向分布，礦床賦存于該套地層與燕山期酸性侵入體的不整合接觸帶。礦床屬巖漿期后接觸交代矽卡巖型礦床，礦體和圍巖界線比較清楚，局部地段呈漸變過渡關(guān)系。

I號礦體是余華寺礦床的主要礦體，分布在X～VI勘探線之間，上部礦體呈似層狀，下部礦體分散，多分枝。礦體沿走向長360m，平均厚度約40m，最大延深至－450m，總體走向NNE，傾向SWW，傾角55°～60°。礦區(qū)生產(chǎn)能力為50萬t／a，采用無底柱分段崩落法開采，運輸在－340m水平，生產(chǎn)水平主要為－270m水平及以上分層。井下地壓問題比較嚴重。

2 三維模型建立

崩落法開采過程中，上部圍巖不斷崩塌破壞，介質(zhì)特性發(fā)生改變。數(shù)值模擬時，根據(jù)研究的對象，假定崩落松散體為連續(xù)介質(zhì)，利用有限元軟件ANSYS Workbench可視化平臺建立三維模型，利用有限差分軟件FLAC3D良好的后處理功能進行研究內(nèi)容的計算［3-4］。

2.1 礦巖參數(shù)選擇

根據(jù)余華寺礦區(qū)工程地質(zhì)條件及干堆尾礦的實際情況，合理確定計算模型的基本參數(shù)［5］，見表1。

2.2 建立模型

本次建模依據(jù)余華寺礦區(qū)實際情況和無底柱分段崩落法開采工藝［6］的特點，充分考慮地表地形、地質(zhì)構(gòu)造、礦體、圍巖，結(jié)合3個方向尺寸的協(xié)調(diào)，選取合適的區(qū)域，并對其進行一定的簡化。選擇利用三維有限元ANSYSWorkbench可視化平臺界面，建立了余華寺礦區(qū)模型，見圖1。模型地表＋60 m，仙人山＋190 m，底部－600 m，長1 700 m，寬1 300 m，主要包含上下盤圍巖、礦體、移動帶、仙人山、露天坑、干堆尾礦等。為了更合理地劃分網(wǎng)格單元，需要設(shè)置網(wǎng)格類型和尺寸控制，細化礦體、塌陷體、干堆尾礦的網(wǎng)格，特別是開采對象－340 m中段礦體。網(wǎng)格劃分統(tǒng)一采用四面體單元類型，圍巖尺寸控制在50 m，礦體3 m，移動帶16 m，干堆尾礦12 m，整個模型共劃分出單元854 704個，節(jié)點147 519個。進入ANSYS經(jīng)典界面，通過ANSYS－FLAC3D接口程序軟件，將已經(jīng)劃分網(wǎng)格的三維模型導入FLAC3D中，導入后的模型見圖2。

表1 余華寺礦區(qū)礦巖體物理力學參數(shù)

圖1 ANSYS數(shù)值模擬模型

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬模型

3 井下開采過程模擬

本研究采用莫爾－庫侖彈塑性材料本構(gòu)模型、干堆尾礦采用彈性材料本構(gòu)模型，對地表尾礦分步分區(qū)干堆模擬計算。

3.1 基本假設(shè)

為了保證模型計算收斂，同時反映實際情況，需要做一些基本假設(shè)：①圍巖簡化為上盤角頁巖、下盤石英閃長巖，余華寺礦區(qū)礦體和圍巖的界線比較清楚，局部地段呈漸變過渡關(guān)系；②不考慮地下水滲流壓力的影響；③移動帶塌陷體為松散介質(zhì)，假設(shè)為各向同性連續(xù)介質(zhì)體；④模型上邊界為自由邊界，下邊界為3個方向速度約束，前后邊界Y方向速度約束，左右邊界X方向速度約束。

3.2 模擬計算過程

尾礦干堆分步分區(qū)進行，首先利用現(xiàn)有廢棄場地，濃縮尾礦排入仙人山尾礦堆場，而后在露天塌陷坑構(gòu)建攔擋壩工程堆至＋60.0m標高，最后向西南處剩余塌陷區(qū)排尾。計算過程中，首先將干堆場尾礦實體組設(shè)置為null，隨著井下開采與尾礦干堆的進行，逐步將尾礦干堆改為彈性材料本構(gòu)模型進行模擬計算。

模型計算分為2種情形，地表未干堆和進行尾礦干堆，其模擬過程：①在給定邊界條件下，施加重力，進行－256 m水平開采結(jié)束時的地應力場初始化平衡計算；② 根據(jù)崩落法的開采特點，進行－270、－284 m分段礦體開采模擬計算；③分別進行2種情形的開采過程模擬，仙人山堆場干堆完成時－298、－312 m分段開采結(jié)束；④分別進行2種情形的開采過程模擬，上部露天塌陷區(qū)東北部尾礦干堆完成時－326 m分段即－340 m中段開采結(jié)束；⑤－340 m中段開采結(jié)束后，露天坑剩余部分繼續(xù)干堆，模擬干堆完成后－340 m水平礦體應力分布。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

FLAC3D中規(guī)定，＋表示拉應力，－表示壓應力。因此，下文中提到的最大主應力σmax實際是FLAC3D中的最小主應力σmin，取其絕對值。

4.1 應力分布

（1）井下采場應力。按照模擬的過程，井下開采逐分段進行，－256 m分段開采結(jié)束時－270 m水平采場的應力分布規(guī)律見圖3。正常開采至－284 m水平，－298 m水平σmax為11.774 MPa。隨著生產(chǎn)水平下降及地表干堆的要求，分別對地表是否進行干堆2種情形模擬計算。地表不進行干堆時，－312 m分段開采結(jié)束時－326 m水平σmax為13.638 MPa，出現(xiàn)在北部礦體上盤。－326 m分段開采結(jié)束時，－340 m水平σmax為12.802 MPa，高應力區(qū)主要分布在上盤。地表干堆時，－312 m分段開采結(jié)束時－326 m水平σmax為13.638 MPa，主要為礦體上盤接觸帶。－326 m分段開采結(jié)束時，－340 m水平σmax為13.801 MPa。地表干堆完成時－340 m水平σmax為13.877 MPa，其應力分布情況見圖4。

圖3 －256 m回采結(jié)束時－270 m采場σmax分布

圖4 干堆結(jié)束時－340 m水平σmax分布

（2）淺部應力。隨著井下開采的進行，生產(chǎn)水平不斷下降，－340 m中段開采結(jié)束時，分別找出2種情形下各個水平的σmax，其變化趨勢見圖5。

圖5 淺部水平最大主應力

4.2 監(jiān)測點位移

地表尾礦干堆結(jié)束后，垂直礦體走向方向Y＝100 m剖面上位移矢量分布見圖6。設(shè)置3個位移監(jiān)測點：露天坑上盤監(jiān)測點、露天坑下盤監(jiān)測點、－256 m水平采場下盤監(jiān)測點，3監(jiān)測點位移變化見圖7。

圖6 Y＝100 m剖面位移矢量分布圖

圖7 地表尾礦干堆時井下監(jiān)測點位移

5 應力及位移分析

5.1 應力分析

（1）未進行干堆時井下應力情況。余華寺礦區(qū)井下開采已經(jīng)下降至－270 m水平，圖3為－256 m分段回采結(jié)束時－270 m水平的σmax分布情況，從圖3中可以看出，北部厚大礦體處和南北厚薄礦體過渡的地方出現(xiàn)了高應力區(qū)，這和實際生產(chǎn)過程中遇到的情況是一致的。同時，礦區(qū)地質(zhì)條件差，礦石多為粉礦，接觸帶處礦巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并在局部地區(qū)伴有充水溶洞的存在，上部部分礦體未采下，這些因素更增加了地壓問題的復雜性與嚴重性。礦山生產(chǎn)過程中應加強地壓管理［8］，應注重礦巖破碎區(qū)及溶洞存在處的管理，提高高應力區(qū)巷道支護質(zhì)量，合理組織回采作業(yè)，保證礦山生產(chǎn)的安全順利進行。

（2）地表干堆時井下應力情況。地表尾礦分步分區(qū)干堆時井下各生產(chǎn)水平σmax整體分布規(guī)律沒有大的變化。對比正常開采時井下應力分布，仙人山尾礦堆場干堆時對井下沒有影響，而塌陷坑干堆時對井下的應力變化影響也很小，應力分布區(qū)域沒有大的變化。

（3）淺部應力分布。從圖5中數(shù)據(jù)可以看出，0 m水平σmax差值為1.8 MPa，－20 m水平為0.26MPa，－50 m水平為0.05 MPa，從其趨勢上看，差別很小，幾乎可以忽略。

5.2 位移分析

地表尾礦干堆結(jié)束后，上部巖體整體向采場方向移動，礦體正上方的移動方向垂直向下，礦體下盤圍巖有向上移動的趨勢。采場周邊圍巖位移最大，向外圍巖位移越小，且采場上盤圍巖位移比下盤圍巖要大得多［9］，地表位移最大處為礦體正上方。露天坑上下盤處于移動帶范圍內(nèi)，位移在6 cm以內(nèi)，－256 m水平下盤的監(jiān)測點不足1 cm，可見，地表尾礦干堆對井下礦巖的移動影響不大。

6 結(jié) 論

金山店鐵礦為解決目前生產(chǎn)中面臨的尾礦處置難題，決定在余華寺礦區(qū)露天塌陷坑進行尾礦干堆。從數(shù)值模擬分析的結(jié)果看出，地表是否進行尾礦干堆對井下生產(chǎn)水平應力分布并沒有很大差別，而在淺部近地表區(qū)域，越靠近地表差異越明顯，同時對井下礦巖的移動影響也不大。礦山井下生產(chǎn)過程中，高應力區(qū)主要集中在礦體上盤礦巖接觸帶處和南北兩端，生產(chǎn)中要注意此區(qū)域的巷道掘進支護和回采組織工作，以保證生產(chǎn)的安全順利。

［1］何哲祥，田守祥，隋利軍，等.礦山尾礦排放現(xiàn)狀與處置的有效途徑［J］.采礦技術(shù)，2008（3）：78-80.

［2］呂憲俊，連民杰.金屬礦山尾礦處理技術(shù)進展［J］.金屬礦山，2005（8）：1-4.

［3］鄧紅衛(wèi)，朱和玲，周科平，等.基于FLAC3D數(shù)值模擬的前后處理優(yōu)化研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2008（2）：60-62.

［4］廖秋林，曾錢幫，劉 彤，等.基于ANSYS平臺復雜地質(zhì)體FLAC3D模型的自動生成［J］.巖石力學與工程學報，2005（6）：1010-1013.

［5］陳清運，蔡嗣經(jīng)，明世祥，等.地下開采地表變形數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2004（6）：19-21.

［6］解世俊.金屬礦地下開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

［7］陳育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［8］明世祥，于言平.小官莊鐵礦采場地壓控制方法研究［J］.中國礦業(yè)，2004（5）：62-64.

［9］張耀平，曹 平，袁海平，等.復雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.采礦與安全工程學報，2010（2）：233-238.

Study on Influence of Surface Dry-tailing Stacking to Underground Mining of Yuhuasi Mine

Li Jun chao Xu Meng guo Gan Shi wei Luo Kai Yu Han
（Key Laboratory of Hubei Province for High-Efficient Use of Metallurgical Mineral Resources and Agglomeration）

In order to find the influence of surface dry-tailing stacking to underground mining，athree-dimensional model for Yuhuasi Mining Area was established，and FLAC3Danalysis software was used to simulate surface dry-tailingstacking.The results show that surface dry-tailing stacking has almost no effect on the stress and displacement of production level but a great impact on near-surface part.More attention on and effective measures for high stress are a in hanging wall contact zone of rock and ore and two ends of ore-body trend need to be taken in this mining area to ensure normal production of themine.

Dry-tailing stacking，Numerical simulation，Ground pressure

2013-08-09）

李俊超（1987—）男，碩士研究生，430081湖北省武漢市青山區(qū)和平大道947號。