基于數(shù)值模擬的高峰礦深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

馬生徽，王文杰，鄧金燦，王越嶺，馬雄忠

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430008；2.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南丹 547205)

礦床地下開采中，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定，取決于礦體的賦存條件、產(chǎn)狀、圍巖的穩(wěn)固程度、礦區(qū)的地質(zhì)條件、開采方法等諸多因素。而采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著采礦技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及工程安全性[1]。由于礦山開采中巖土工程及其力學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了當(dāng)前尚無(wú)法求得巖土工程問(wèn)題的精確解，因而只能借助其他方法進(jìn)行定性分析[2-4]。數(shù)值模擬方法可以有效分析礦山開采中的力學(xué)問(wèn)題，并指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，因而具有較高的可靠性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)高峰礦中厚傾斜礦體上向水平分層充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，為高峰礦深部礦體高效、安全、經(jīng)濟(jì)開采提供依據(jù)。

1 工程概況

廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“高峰礦”)在100號(hào)礦體延深開采以及105號(hào)礦體的開采中，由于開采深度增加以及受原有民采及探礦過(guò)程的破壞，礦巖的完整性受到很大破壞，出現(xiàn)許多不規(guī)則空區(qū)和大面積的破碎礦巖體，給深部礦床的開發(fā)利用帶來(lái)了極大的安全隱患。高峰礦-200m～-250m中段礦體呈近似南北走向的“啞鈴狀”，距地表超過(guò)1000m,已屬于深部開采。在該中段 52#～54#勘探線/Ⅰ#～Ⅱ-Ⅲ#勘探線之間，礦體厚度為6～10m，傾角為30°～50°，礦體沿走向長(zhǎng)度為360～400m，屬于中厚傾斜礦體，上下盤圍巖均為生物礁灰?guī)r，屬完整性好的硬質(zhì)巖石，普氏系數(shù)為8～10。生物礁灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度一般高于礦石，個(gè)別地段的礦石抗壓強(qiáng)度較低。設(shè)計(jì)采用機(jī)械化上向水平分層無(wú)間柱充填法回采，礦塊沿礦體走向布置，長(zhǎng)70～90m，寬為礦體寬度，高為中段高度，不留間柱和頂柱，只留底柱。由于未設(shè)間柱，為便于相鄰兩個(gè)礦房的回采，在相鄰礦塊交接處用1∶4的水泥砂漿進(jìn)行膠結(jié)充填，形成一個(gè)8m寬左右的膠結(jié)充填體人工礦柱。取消了間柱，增大了礦房尺寸，使采場(chǎng)生產(chǎn)能力提高， 損失率和貧化率降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。然而連續(xù)布置采場(chǎng)實(shí)行強(qiáng)化采礦時(shí)，要保證安全高效生產(chǎn)，礦塊長(zhǎng)度、分層高度、人工礦柱寬度和超前回采分層數(shù)等參數(shù)的確定尤其重要[5-8]。本文利用FLAC3D軟件，采用數(shù)值分析的方法，研究采用不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)回采時(shí)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，以確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證深部充填回采的生產(chǎn)安全。

2 數(shù)值模型建立及計(jì)算方案的選擇

2.1 計(jì)算模型的建立

為便于建模和分析計(jì)算，現(xiàn)做出如下假設(shè)：①礦體的厚度和傾角設(shè)為固定值；②簡(jiǎn)化礦體回采過(guò)程，礦塊分層一次回采;③不考慮地下水的影響；④礦巖體假設(shè)為理想彈塑性體，不考慮應(yīng)變硬化(或軟化)。計(jì)算幾何模型，模型的下盤圍巖為生物礁灰?guī)r，上盤圍巖也為生物礁灰?guī)r，開采范圍內(nèi)的關(guān)鍵層(頂板，礦柱，頂柱)網(wǎng)格劃分較密集，圍巖部分較稀疏。

圖1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值計(jì)算模型

2.2 計(jì)算方案的確定

數(shù)值計(jì)算中主要研究礦塊長(zhǎng)度、分層高度、人工礦柱寬度以及超前回采分層數(shù)對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的影響。而采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，為便于分析比較，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)出礦塊長(zhǎng)度、分層高度、礦柱寬度以及超前回采分層數(shù)4因素、3水平共9組方案，正交試驗(yàn)方案見表1。

2.3 初始條件和計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)歷次地應(yīng)力調(diào)查，高峰礦構(gòu)造應(yīng)力的水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大，初始應(yīng)力采用應(yīng)力邊界法施加，先計(jì)算原巖應(yīng)力場(chǎng)平衡，得到采場(chǎng)開挖前的最初應(yīng)力狀態(tài)；然后模擬分層開挖，得到開挖后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，位移變化和塑性破壞狀態(tài)。在計(jì)算中固定模型的左右表面的X方向位移,固定模型前后表面的Y方向位移，固定模型下表面的Z方向位移。數(shù)值計(jì)算采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[9]。計(jì)算參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)以及相應(yīng)的巖體參數(shù)工程處理得到，對(duì)于回采空?qǐng)霾捎肍LAC3D內(nèi)置的null空模型，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本次正交數(shù)值試驗(yàn)主要研究采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，通過(guò)對(duì)比不同參數(shù)的采場(chǎng)頂板穩(wěn)定優(yōu)選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以頂板中最大主應(yīng)力P以及單位長(zhǎng)度上的塑性破壞體積V作為評(píng)價(jià)采場(chǎng)穩(wěn)定性的指標(biāo)。由于各方案礦塊長(zhǎng)度不一，故采用單位長(zhǎng)度上的塑性破壞體積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。若最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不能同時(shí)使指標(biāo)P和指標(biāo)V同時(shí)達(dá)到最小，以最大主應(yīng)力指標(biāo)為主，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

采用極差分析法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果，極差大小反映了該因素選取不同的水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)的影響大小，極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。由表3求出各因素每個(gè)水平的均值和極差，可以得出P(表4)和V(表5)的極差分析結(jié)果。

根據(jù)表4中的指標(biāo)P極差值欄的數(shù)據(jù)可知，分層高度對(duì)采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性影響最大，其次是人工礦柱寬度和礦塊長(zhǎng)度，最后是超前回采分層數(shù)。分層高度B因素的極差最大，說(shuō)明B因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值影響最大。對(duì)于分層高度B因素的確定，考慮到它的3個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的頂板最大主應(yīng)力分別為：61.637MPa、62.893MPa、66.452MPa，其中第一水平所對(duì)應(yīng)的數(shù)值61.637為最小(負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力)，所以取第一水平B1為最好。同理可得，礦塊長(zhǎng)度A的最優(yōu)方案是A3、人工礦柱寬度C的最優(yōu)方案是C1和超前回采分層數(shù)B的最優(yōu)方案是B1，從而得出整個(gè)采場(chǎng)的最優(yōu)參數(shù)為A3B1C1D3。

根據(jù)表5中的指標(biāo)V極差值欄的數(shù)據(jù)可知，人工礦柱寬度對(duì)采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性的影響最大，其次是礦塊長(zhǎng)度和分層高度，最后是超前回采分層數(shù)。首先確定極差最大的C因素，C因素所對(duì)應(yīng)三個(gè)水平S的指標(biāo)值分別為：10.823m3、11.607m3、11.245m3，以第一水平為最小，所以取第一水平C1為最優(yōu)。同理，確定最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為A3B1C1D2。

表1 正交試驗(yàn)方案表

表2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模型結(jié)果

表4 頂板最大主應(yīng)力P極差分析表

表5 頂板塑性破壞體體積V極差分析表

為了更直觀地分析各因素對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的影響，根據(jù)表4和表5的直觀分析結(jié)果分別作各因素對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性影響的直觀分析圖(圖2，圖3)。

由各因素對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性影響的直觀分析圖可知：①與其他因素相比，分層高度對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響最大，隨著分層高度增大，頂板的最大主應(yīng)力和塑性破壞體積都有增大。②人工礦柱的寬度也對(duì)頂板處最大主應(yīng)力和塑性破壞影響較大，礦柱的寬度越大，最大主應(yīng)力也隨之增大。塑性破壞變化有所起伏，當(dāng)?shù)V柱寬為8m，塑性破壞體積最大，寬為6m時(shí)，塑性破壞體積最小。③礦塊長(zhǎng)度也是影響頂板穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)值模擬時(shí)礦體的寬度固定為10m，礦塊的長(zhǎng)度直接影響采場(chǎng)的暴露面積。當(dāng)?shù)V塊長(zhǎng)度為90m時(shí)，頂板出的最大主應(yīng)力和塑性破壞體積最小。④超前回采分層數(shù)影響相鄰礦塊之間總體的暴露面積，當(dāng)超前回采分層數(shù)達(dá)到2或3時(shí)，頂板的最大主應(yīng)力和塑性破壞體積較小，有利于保證頂板的穩(wěn)定性。

圖2 各因素對(duì)頂板最大主應(yīng)力的影響

圖3 各因素對(duì)頂板最大主應(yīng)力的影響

通過(guò)頂板的最大主應(yīng)力和單位長(zhǎng)度上塑性破壞體積兩個(gè)指標(biāo)分別得出的最佳參數(shù)為A3B1C1D2(方案10)和A3B1C1D3(方案11)。采用這兩組最佳參數(shù)方案10和方案11繼續(xù)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

對(duì)比表3中9種方案中指標(biāo)P與指標(biāo)V，方案10與方案11的指標(biāo)值P和V均低于另外9種方案。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方案10與方案11試驗(yàn)結(jié)果相近，即礦塊長(zhǎng)度為90m、分層高度為4m、人工礦柱高度為6m、超前回采分層數(shù)為2層或3層時(shí)，采場(chǎng)頂板各項(xiàng)指標(biāo)均最優(yōu)。

4 結(jié)論

根據(jù)高峰礦深部?jī)A斜中厚礦體采用的上向水平分層充填法，通過(guò)正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了礦塊長(zhǎng)度、分層高度、人工礦柱以及超前回采分層數(shù)對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明：分層高度對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的影響最大；人工礦柱寬度居中；然后是礦塊的長(zhǎng)度以及超前回采分層數(shù)。為保證生產(chǎn)安全，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦塊長(zhǎng)度為90m、分層高度為4m、人工礦柱長(zhǎng)度為6m、超前回采分層數(shù)為2～3層。另外由于礦山地質(zhì)條件的復(fù)雜以及建模過(guò)程中的假定，使得數(shù)值模擬無(wú)法精確地模擬回采過(guò)程中的應(yīng)力變化，因此在實(shí)施回采方案時(shí)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力、位移值的監(jiān)測(cè)，綜合參考數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)采場(chǎng)回采工作，以便于進(jìn)一步優(yōu)化方案,保障深部回采的安全進(jìn)行。

[1]陶干強(qiáng)，孫冰，宋麗霞,等.充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009，26(4) ：460-464.

[2]王文杰.高應(yīng)力區(qū)巷道卸壓支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[J].金屬礦山,2010，39(3)：23-25.

[3]王文杰.高應(yīng)力區(qū)卸壓與錨桿支護(hù)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響分析[J].金屬礦山,2010，39(10):1-5.

[4]馬生徽，王文杰.基于FLAC3D的管縫錨桿與玻璃鋼錨桿支護(hù)效果對(duì)比[J].金屬礦山,2012，41(6):9-12.

[5]劉曉明，羅周全，張保,等.上向分層回采采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)工程，2009，29(4)：10-13.

[6]韓志型，王寧.急傾斜厚礦體無(wú)間柱上向水平分層充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(2)：367-370.

[7]楊清平，滕丙娟，胡文達(dá),等.謙比西銅礦西礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山，2012，41(5)：1-4.

[8]鄧建，李夕兵，古德生,等.無(wú)間柱連續(xù)采礦法礦段回采的地壓規(guī)律與控制技術(shù)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2001，11(4)：666-670.

[9]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.