基于FLAC2D的空場嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化*

黃明清，吳愛祥，王貽明，黃明偉，劉文贈

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083;2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

1 引言

空場嗣后充填采礦法具有適用范圍廣、資源利用率高、采礦作業(yè)安全、回采強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外地下礦山得到越來越多推廣和應(yīng)用［1－2］?？請鏊煤蟪涮畈傻V法中不同的回采順序及結(jié)構(gòu)參數(shù)往往導(dǎo)致不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及作業(yè)安全性。國內(nèi)外研究者對此進(jìn)行了廣泛研究，如李凱等人［3］將分段鑿巖階段空場嗣后充填法應(yīng)用于50～90°的急傾斜?。泻竦V體，通過中深孔鑿巖及電動鏟運(yùn)機(jī)出礦，使盤區(qū)生產(chǎn)能力、礦石貧化率及損失率得到明顯的改善。Karim等人［4］進(jìn)一步分析了充填材料作為采場礦柱的穩(wěn)定性，指出當(dāng)周圍充填體養(yǎng)護(hù)齡期超過14天時，空場法開采可持續(xù)安全進(jìn)行。隨后，余海華等人［5］通過數(shù)值模擬確定了合理的礦房、礦柱寬度及充填配比，探明了嗣后充填回采充填過程中的采場圍巖應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)的分布情況，為金山店鐵礦的安全生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

然而，前人的研究多集中于礦房與礦柱尺寸設(shè)計(jì)、爆破參數(shù)選擇及充填材料配比優(yōu)化等方面，對放礦過程及不同回采階段開采擾動引起的采場穩(wěn)定性研究較少。不同采場寬度及放礦條件下，采場的應(yīng)力分布及破壞模式不同。探明回采區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)域、最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力的大小和方向、塑性區(qū)的分布等參數(shù)，對采場最佳尺寸的選擇起到至關(guān)重要的作用［6］。鑒于以上問題，本文以緩傾斜中厚礦體的塹溝受礦分段空場嗣后充填法為背景，通過FLAC2D軟件模擬采場在開采前、開采中及開采后的采礦動力學(xué)特征，討論應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布規(guī)律，以期選擇采場的最佳尺寸及保證回采作業(yè)的安全。

2 模型與方法

2.1 開采技術(shù)條件

某銅礦床主礦體賦存于透輝矽卡巖礦化層，呈層狀產(chǎn)出。礦體傾向北西，傾角12～40°，平均厚度15m，為典型的緩傾斜中厚礦體。礦體上盤以大理巖為主，角巖化變質(zhì)石英砂巖次之，質(zhì)量等級和完整性中等到差;下盤為矽卡巖，質(zhì)量等級和完整性中等較好。礦體采用塹溝受礦分段空場嗣后充填法開采，階段高度25m，采場垂直走向布置，沿走向?qū)挒?2～40m，其中間柱寬5m，采場跨度27～35m，采用間隔式回采方式。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)的選取是保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性的關(guān)鍵［7］。對礦體及圍巖進(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)測試，包括塊體密度、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比、巖石縱向波速等，結(jié)果如表1所示。

表1 主要巖石物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

2.3 力學(xué)模型的確定

假定礦巖為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì)。模型兩側(cè)限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型上部施加相應(yīng)埋深的垂直載荷，模型兩側(cè)施加相應(yīng)深度的水平應(yīng)力，模型變形設(shè)置為大變形。根據(jù)材料力學(xué)特征，模擬中充填體采用理想彈塑性本構(gòu)模型(式1)，礦巖采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，同時，假定礦巖和充填體均遵循莫爾－庫侖準(zhǔn)則。

式(1)～(2)中:fs為破壞判斷系數(shù)，當(dāng) fs＞0時，材料發(fā)生拉伸破壞，fs＜0時發(fā)生剪切破壞;σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角;c為內(nèi)聚力;ft為壓縮屈服函數(shù);σt為抗拉強(qiáng)度。

2.4 模型及網(wǎng)格劃分

二維模型上下邊界分別選定3350m及3200m，模型高度150m，寬度530～550m，共劃分為44622～49950個網(wǎng)格。模型包含三種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采場沿走向方向?qū)挾纫来螢?2m、36m、40m，如表2所示。每種方案模擬了三個連續(xù)采場的回采過程，從左到右依次為1#、2#及3#采場，開采順序?yàn)?#采場、3#采場及2#采場。

表2 FLAC2D二維數(shù)值模擬采場結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.5 模擬分析過程

數(shù)值模擬目的是探討不同回采階段開采擾動對采場穩(wěn)定性的影響，故重點(diǎn)闡述1#采場礦石全部放出、3#采場回采結(jié)束(放出一半礦石)和2#采場放出全部礦石后等三種關(guān)鍵階段的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布規(guī)律。分析過程依次為:1#采場爆破→1#采場礦石放出一半→3#采場爆破→3#采場放出一半礦石→1#采場放出所有礦石→1#采場充填→2#采場爆破→2#采場放出一半礦石→3#采場放出全部礦石→3#采場充填→2#采場放出所有礦石→2#采場充填。同時，模擬過程中假定尾砂充填的充填體不接頂。

3 結(jié)果與討論

3.1 最大主應(yīng)力

本節(jié)討論以方案二為示例。方案二(礦房寬31m、間柱寬5m)1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的最大主應(yīng)力分布見圖1、圖2和圖3。

圖1 方案二1#采場礦石全部放出后的最大主應(yīng)力分布

圖2 方案二3#采場礦石放出一半后的最大主應(yīng)力分布

圖3 方案二2#采場礦石全部放出后的最大主應(yīng)力分布

從圖1～圖3可看出，出礦階段采區(qū)應(yīng)力主要集中在采場之間的隔離礦柱、采場頂板與隔離礦柱的相交處，其中采場之間的間柱最大主應(yīng)力值可達(dá)30～35MPa，采場頂板與間柱的相交處最大主應(yīng)力達(dá)30～40MPa以上，電耙道周圍及桃形礦柱的最大主應(yīng)力在5～10MPa之間，但靠近間柱處最大主應(yīng)力可達(dá)15～20MPa。

3.2 最小主應(yīng)力

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的最小主應(yīng)力分布見圖4、圖5和圖6。

圖4 方案二1#采場礦石全部放出后的最小主應(yīng)力分布

圖5 方案二3#采場礦石放出一半后的最小主應(yīng)力分布

圖6 方案二2#采場礦石全部放出后的最小主應(yīng)力分布

從圖4～圖6可看出，最小主應(yīng)力集中分布規(guī)律與最大主應(yīng)力類似，最小主應(yīng)力為0～2.5MPa，但采場頂板與隔離礦柱的相交處最小主應(yīng)力最大可達(dá)7.5 ～10Mpa。

3.3 塑性區(qū)

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的塑性區(qū)分布見圖7、圖8和圖9。

圖7 方案二1#采場礦石全部放出后的塑性區(qū)分布

圖8 方案二3#采場礦石放出一半后的塑性區(qū)分布

圖9 方案二2#采場礦石全部放出后的塑性區(qū)分布

從圖7～圖9可看出，此時充填體已進(jìn)入塑性區(qū)。當(dāng)回采中間2#采場時，電耙道局部出現(xiàn)了塑性區(qū);間柱和頂板局部區(qū)域也部分出現(xiàn)塑性區(qū)，但塑性區(qū)范圍并不大，不影響采場的整體穩(wěn)定性。電耙道及桃形礦柱區(qū)域在其上礦巖的作用下，呈現(xiàn)出一定的塑性區(qū)，因此，回采過程中應(yīng)給予適當(dāng)支護(hù)以保證電耙道及桃形礦柱的穩(wěn)定性。

3.4 豎直方向位移

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的豎直方向位移分布見圖10、圖11和圖12。從圖10～12可看出，由于充填體無法接頂，頂板位移隨著回采的進(jìn)行而逐漸增大，1#及3#采場回采結(jié)束后2#采場出現(xiàn)最大豎直方向位移為30～40mm。

圖10 方案二1#采場礦石全部放出后的豎直方向位移分布

圖11 方案二3#采場礦石放出一半后的豎直方向位移分布

圖12 方案二2#采場礦石全部放出后的豎直方向位移分布

3.5 模擬結(jié)果討論

方案一及方案三模擬過程與方案二相似，三種方案主要模擬結(jié)果如表3所示。

結(jié)合三種方案的模擬結(jié)果可看出:

(1)當(dāng)1#采場出礦完畢后，應(yīng)力集中主要在采場底部結(jié)構(gòu)及間柱，但應(yīng)力集中程度不高，最大主應(yīng)力約為10～15MPa。當(dāng)1、3#采場分別回采結(jié)束，2#采場礦石全部放出后，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在1#采場左側(cè)、3#采場右側(cè)以及三個采場的間柱上。其中1#采場左側(cè)、3#采場右側(cè)最大主應(yīng)力為10～20MPa，間柱所在位置和頂板相交處最大主應(yīng)力可達(dá)30～40MPa，三個采場之間的間柱上應(yīng)力最集中，最大值可達(dá)10～50MPa;且礦柱保留時間越長，應(yīng)力集中程度越高。

表3 三種方案開采前后二維數(shù)值模擬結(jié)果匯總表

(2)最小主應(yīng)力的分布規(guī)律與最大主應(yīng)力相似，最小主應(yīng)力一般為0～2.5MPa，局部區(qū)域最小主應(yīng)力可達(dá)7.5～12.5MPa。由于采場跨度的增大，方案三在采場頂板出現(xiàn)了0～1.25MPa的拉應(yīng)力，導(dǎo)致采場失穩(wěn)。

(3)受大跨度條件下高應(yīng)力集中的影響，方案三盤區(qū)間柱出現(xiàn)了塑性區(qū)，說明盤區(qū)間柱在高應(yīng)力集中作用下已產(chǎn)生屈服，進(jìn)入塑性狀態(tài)，并將導(dǎo)致盤區(qū)頂板失穩(wěn)冒落。

(4)豎直方向位移量隨采場跨度的增大而進(jìn)一步增大，方案三頂板最大豎直位移量達(dá)60mm，比方案一增加了20mm。

綜上所述，方案一及方案二開采時采場最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力值較小，除充填體外塑性區(qū)在電耙道、礦柱及頂板僅有局部分布，同時頂板位移量較小;而方案三頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，同時礦柱進(jìn)入塑性區(qū)狀態(tài)。因此，從作業(yè)安全及采場可采礦量角度考慮，方案二為最優(yōu)方案;此時采場沿走向長度寬36m，其中礦房31m、間柱5m。2011年7月以來方案二一直在該銅礦安全應(yīng)用，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的可靠性。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合充填體理想彈塑性本構(gòu)模型、礦巖應(yīng)變軟化本構(gòu)模型及莫爾－庫侖屈服準(zhǔn)則，F(xiàn)LAC2D軟件適用于矽卡巖礦體空場嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的二維數(shù)值模擬。

(2)通過模擬1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石及2#采場放出全部礦石等三種回采階段應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布規(guī)律，表明不同回采階段開采擾動及采場跨度條件下采場穩(wěn)定性不同，采場沿走向?qū)挾?6m以下時最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)分布及頂板豎直位移在安全范圍之內(nèi)，采場寬度40m時頂板出現(xiàn)拉伸破壞。

(3)優(yōu)化后采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為采場沿走向?qū)挾?6m，其中礦房31m、間柱5m，生產(chǎn)實(shí)踐證明該方案在安全性及經(jīng)濟(jì)性上滿足了生產(chǎn)要求。

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