新城金礦中段頂柱盤區(qū)回采順序優(yōu)化*

關(guān) 凱 朱萬成 張洪訓(xùn) 王青元 魏晨慧

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

進(jìn)行礦山開采，不同的回采順序會對采場和圍巖的應(yīng)力場、位移場以及穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響［1-2］。采用合理的礦體回采順序，不僅可以改善巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，還能控制由于多次采動影響造成的應(yīng)力增高帶相互重疊的程度［3］。因此，確定合理的回采順序是礦山進(jìn)行安全、高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)不少專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究。通過分析比較不同回采順序下采場和圍巖的應(yīng)力、位移等分布狀態(tài)，確定了最優(yōu)的開采方案［4-5］。郭立等［6］對冬瓜山礦床的回采順序進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為采用屈服函數(shù)作為地下工程穩(wěn)定性的判定準(zhǔn)則是可行的。采場圍巖能量釋放率和體積閉合量也可作為綜合評價(jià)采場穩(wěn)定性的重要依據(jù)［7-8］。Wang等［9］和陳新勝等［10］通過數(shù)值模擬方法，定量地計(jì)算了回采過程中采場位移、應(yīng)力隨每步回采的動態(tài)變化過程，對采場的穩(wěn)定性做出了直觀的判斷。

然而，上述文獻(xiàn)在對不同回采順序的模擬結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，考慮到的參數(shù)指標(biāo)不夠完善，并且對具有不同開挖步數(shù)的回采順序間的分析對比研究得較少。因此，為了較清晰全面地分析結(jié)果，本研究基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描方法，對新城金礦Ⅴ#礦體－580 m中段頂柱采場頂板和邊幫進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面調(diào)查，并依據(jù)Hoek－Brown準(zhǔn)則［11］計(jì)算得到了巖體的物理力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用有限元數(shù)值分析軟件COMSOL－Multiphysics模擬分析了－580 m中段頂柱盤區(qū)在4種回采順序條件下關(guān)鍵部位的應(yīng)力、位移的動態(tài)變化過程，再結(jié)合各方案頂板的破壞情況，最終確定出最優(yōu)的回采順序。

1 工程概況

新城金礦Ⅴ#礦體－580 m中段頂柱位于171～187勘探線，標(biāo)高在－536 m～－530 m。礦體走向北東31°，傾向北西，傾角35°。礦體沿走向長約240 m，平均水平厚度72 m，礦石量258 829 t，礦石品位2.66 g/t，含金屬量687.8 kg。頂柱普氏系數(shù)f=6～8，礦巖較為破碎，裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性較差。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，礦體開采采用機(jī)械化盤區(qū)上向進(jìn)路充填采礦法，采場以盤區(qū)形式布置。

2 數(shù)值模型

2.1 創(chuàng)建三維模型

創(chuàng)建合理的三維模型是進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的基礎(chǔ)和前提。根據(jù)新城金礦Ⅴ#礦體的賦存條件及開采現(xiàn)狀，建立了三維計(jì)算模型，見圖1(圖中深色部分即為－580 m中段頂柱)。

圖1 三維計(jì)算模型(單位:m)

模型高度取地表以下400～700 m，長500 m，寬450 m;頂柱位于－536～－530 m，沿走向最大長度為220 m，垂直走向最大寬度為130 m，厚為6 m，傾角為35°。礦體中有4個隔離礦柱，將頂柱劃分為6個盤區(qū)。沿礦體走向的隔離礦柱寬為6 m，其他垂直于走向的隔離礦柱寬分別為10 m、15 m和10 m，并且在隔離礦柱中均開挖有鑿巖或出礦巷道，巷道尺寸為3.1 m×3.2 m。在頂柱上方設(shè)置有1 m厚的人工假頂，假頂和頂柱上下分別有50 m厚的充填體。

采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對模型中的核心部分(盤區(qū)、人工假頂?shù)?盡可能地細(xì)化，而對其他相對不是很重要的輔助部分劃分得粗略一些。本次共劃分單元總數(shù)達(dá)91 444個，共計(jì)46 590個自由度。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

為了盡可能真實(shí)地反映巖體的力學(xué)信息，采用3GSM非接觸數(shù)字掃描系統(tǒng)，構(gòu)建巖體表面真三維數(shù)字模型，并對其進(jìn)行處理，得到巖體大量、翔實(shí)的幾何測量數(shù)據(jù)，再結(jié)合廣義Hoek－Brown準(zhǔn)則計(jì)算得到巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 控制方程及約束、屈服條件

2.3.1 固體力學(xué)平衡方程

固體變形的彈性力學(xué)平衡微分方程為

式中，σij，j為應(yīng)力張量，F(xiàn)i為體積力。

假定介質(zhì)為各向同性的彈性介質(zhì)，故其滿足以總應(yīng)力張量σij和應(yīng)變張量εij表達(dá)的彈性本構(gòu)關(guān)系。本構(gòu)方程的表達(dá)式為

式中，Dijkl為彈性張量，對各向同性的彈性介質(zhì)，其值只與彈性模量和泊松比有關(guān)。

2.3.2 邊界條件

本次模擬研究中初始地應(yīng)力的計(jì)算是依據(jù)北京科技大學(xué)在新城金礦現(xiàn)場測量所得的地應(yīng)力回歸方程［12］

式中，σh，max，σh，min和σv分別為最大、最小水平地應(yīng)力以及垂直地應(yīng)力，MPa;H為埋深，m。其中最大水平地應(yīng)力垂直于礦體走向，最小水平地應(yīng)力沿著礦體走向。

上述應(yīng)力邊界條件分別施加于模型的2個相鄰側(cè)面及上頂面，其余邊界均采取法向位移約束。

2.3.3 屈服準(zhǔn)則

由于巖土材料屬于粒狀體材料，主要依靠顆粒間的摩擦承受荷載，因此，其變形或破壞受摩擦力的控制;當(dāng)材料中剪應(yīng)力和正應(yīng)力的共同作用克服了粒子間的摩擦力時(shí)，材料即會發(fā)生破壞。因此Mohr－Coulomb準(zhǔn)則在巖體工程中應(yīng)用得比較廣泛，其屈服函數(shù)為

式中，σ，σ3分別為第一和第三主應(yīng)力;σc，σt分別為材料抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;c，φ分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

上述屈服函數(shù)表明在σ1滿足一定條件，且當(dāng)f＞0時(shí)，材料即發(fā)生剪切或拉伸破壞。

3 回采順序方案

考慮礦體的開采技術(shù)條件，提出4種可能的盤區(qū)回采順序?；夭晒に嚨脑瓌t為先采上盤后采下盤，在對頂柱某盤區(qū)進(jìn)行回采的同時(shí)，充填上一步回采后的采空區(qū)。具體回采順序方案參見圖2。

圖2 頂柱平面

1—1#隔離礦柱;2—2#隔離礦柱;3—3#隔離礦柱;4—4#隔離礦柱;

5—3#聯(lián)絡(luò)巷;6—2#聯(lián)絡(luò)巷;7—1#聯(lián)絡(luò)巷;8—運(yùn)輸巷;

方案1:從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區(qū)，再依次回采下盤所有盤區(qū)，盤區(qū)回采順序?yàn)?/p>

方案2:從左至右順序回采，上下盤相鄰盤區(qū)依次回采，回采順序?yàn)?/p>

方案3:從兩邊至中間順序回采，先回采上盤所有盤區(qū)，再回采下盤所有盤區(qū)，盤區(qū)回采順序?yàn)?/p>

方案4:從兩邊至中間順序回采，上下盤相鄰盤區(qū)依次回采，回采順序?yàn)?/p>

其中方案1和方案2為6步開挖過程，方案3和方案4為4步開挖過程。

4 模擬結(jié)果分析

對頂柱的回采是一個多步開挖的加卸載過程，不同的回采順序會使巖體產(chǎn)生不同的力學(xué)響應(yīng)。所以只有通過大量的計(jì)算和分析，比較不同順序下的應(yīng)力、位移和破壞區(qū)動態(tài)變化過程，才能確定最安全可靠的回采方案［13］。

4.1 方案1和方案2的優(yōu)化分析

4.1.1 主應(yīng)力對比分析

應(yīng)力分析結(jié)果表明，隨回采的推進(jìn)，待采頂柱以及采空區(qū)頂板均出現(xiàn)了較大范圍的壓應(yīng)力集中，而隔離礦柱特別是1#隔離礦柱不僅出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，局部也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。方案1和方案2的人工假頂、頂柱和隔離礦柱主應(yīng)力對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 主應(yīng)力對比曲線

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，只有待采頂柱的第三主應(yīng)力方案1比方案2小，其他指標(biāo)均有方案2優(yōu)于方案1，顯然，方案2的回采順序較優(yōu)。

4.1.2 位移對比分析

在位移分析中，豎直位移比水平位移更重要，因?yàn)檩^大的豎直位移可能會引起頂板冒落。在頂柱的回采過程中，采場以及與最大地應(yīng)力方向垂直的運(yùn)輸巷的頂板穩(wěn)定情況關(guān)乎整個回采作業(yè)的安全和施工進(jìn)度，必須予以認(rèn)真研究。采場和運(yùn)輸巷的頂板下沉量對比曲線如圖4所示。方案1和方案2分別回采至中期第5步和第4步(均對應(yīng)于回采22盤區(qū))時(shí)，采場頂板下沉量增幅最大，這是由于22盤區(qū)采場暴露面積較大的緣故。從圖可看出，2個方案在采場頂板下沉量上難分優(yōu)劣，而方案1的運(yùn)輸巷頂板穩(wěn)定性比方案2好。故綜合考慮可得，方案1較優(yōu)。

圖4 頂板下沉量對比曲線

4.1.3 破壞區(qū)對比分析

材料破壞情況是分析穩(wěn)定性的重要依據(jù)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，材料將發(fā)生破壞，其承載能力會大大降低。

在回采過程中，充填體和1#隔離礦柱主要發(fā)生拉伸破壞，而采場頂板和其他隔離礦柱主要為壓剪破壞。圖5和圖6分別為回采末期采場和隔離礦柱以及采場頂板的破壞區(qū)對比圖(圖中負(fù)值和正值區(qū)域分別表示發(fā)生拉伸破壞和壓剪破壞程度;0表示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生破壞)。

圖5 采場、隔離礦柱破壞區(qū)對比

圖6 采場頂板破壞區(qū)對比

對方案1，采場和隔離礦柱以及頂板的破壞區(qū)體積分別為40 016 m3和9 000 m3;對方案2，則分別為40 934 m3和9 005 m3。從中可知，采用方案1能使采場等產(chǎn)生的破壞區(qū)體積更小，因此方案1更優(yōu)。

綜合比較以上各個因素得出，在方案1和方案2中應(yīng)該優(yōu)先考慮采用方案1的回采順序。

4.2 方案3和方案4的優(yōu)化分析

4.2.1 主應(yīng)力對比分析

與前述應(yīng)力分析方法相同，研究方案3和方案4人工假頂、頂柱和隔離礦柱的主應(yīng)力情況，比較結(jié)果如圖7所示。

可見，相比于方案3，方案4能使人工假頂和隔離礦柱中的應(yīng)力更小，是更優(yōu)的回采順序。

4.2.2 位移對比分析

圖8為運(yùn)輸巷和采場的頂板下沉對比曲線。方案3和方案4的采場頂板下沉量差異不大，而在運(yùn)輸巷頂板下沉指標(biāo)上前者明顯優(yōu)于后者，特別是在第2步回采時(shí)，方案3頂板下沉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案4。因此，從頂板下沉量來看，方案3較優(yōu)。

4.2.3 破壞區(qū)對比分析

分別比較回采末期方案3和方案4采場、隔離礦柱以及采場頂板的破壞區(qū)大小，如圖9和圖10所示(正負(fù)值數(shù)值含義同圖5和圖6)。

圖7 主應(yīng)力對比曲線

經(jīng)計(jì)算得到，方案3采場和隔離礦柱以及頂板的破壞區(qū)體積分別為39 320 m3和9 006 m3，而方案4分別為40 606 m3和9 008 m3。通過對比可知，方案3為較優(yōu)方案。

綜上所述，方案3總體上優(yōu)于方案4，為可考慮采用的方案。

4.3 最優(yōu)方案的選定

圖8 頂板下沉量對比曲線

圖9 采場、隔離礦柱破壞區(qū)對比

圖10 采場頂板破壞區(qū)對比

對各方案的分析可發(fā)現(xiàn)，在每步回采時(shí)，1#和2#隔離礦柱在整個頂柱中幾乎分別承受最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，破壞較嚴(yán)重;在回采22盤區(qū)時(shí)，采場頂板下沉量增幅最大，對回采和充填作業(yè)構(gòu)成較大威脅。因此，為在方案1和方案3中選出最優(yōu)者，本文綜合考慮以上各因素并結(jié)合回采末期相關(guān)指標(biāo)的大小關(guān)系來進(jìn)行優(yōu)化分析。

由表2可知，方案1的1#和2#隔離礦柱破壞區(qū)均比方案3小，但差值不足6 m3;其余指標(biāo)兩者相差不大，這說明采用方案1比方案3略優(yōu)。

表2 回采過程中相關(guān)參數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

回采結(jié)束后，方案1和方案3關(guān)鍵部位破壞區(qū)大小以及采場和各巷道的頂板下沉量模擬結(jié)果如表3所示?？梢?，兩者在聯(lián)絡(luò)巷及采場的頂板下沉量上差別不大;雖然采用方案1使采場、隔離礦柱形成的破壞區(qū)比方案3稍大，卻更有利于采場頂板的安全，也使運(yùn)輸巷頂板下沉量達(dá)到最小。因此，綜合來看，采用方案1更合理。

表3 回采結(jié)束后破壞區(qū)體積及頂板下沉量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以上2個方案的優(yōu)化分析表明，當(dāng)采用從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區(qū)，再依次回采下盤所有盤區(qū)的回采順序時(shí)，頂板等處于最有利的力學(xué)狀態(tài)，所以將方案1確定為頂柱盤區(qū)回采的最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

(1)在不同的回采順序下，頂柱及頂板呈現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)和破壞程度，說明采場的穩(wěn)定性與回采順序密切相關(guān)。

(2)采用從左至右順序回采，先依次回采上盤所有盤區(qū)，再依次回采下盤所有盤區(qū)的回采順序，有利于回采區(qū)域在開挖過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，為最優(yōu)的回采順序。

(3)回采過程中，1#和2#隔離礦柱應(yīng)力集中，充填體破壞嚴(yán)重，22盤區(qū)回采時(shí)采場頂板下沉量增幅最大，需加強(qiáng)支護(hù)，采用更高強(qiáng)度的充填體。

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