巖溶大水礦體間柱回采數(shù)值模擬研究

王 磊 生兆峰 郭 偉

(1.淮北徐樓礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

·采礦工程·

巖溶大水礦體間柱回采數(shù)值模擬研究

王 磊1生兆峰1郭 偉2，3，4

(1.淮北徐樓礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

巖溶大水礦體開(kāi)采難度較常規(guī)礦體大，特別是二步驟礦柱回采，在第四系巖溶大水的條件下，常規(guī)的礦柱回采技術(shù)已難以滿(mǎn)足安全需求，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬能較好的解決這一缺陷。以徐樓鐵礦為例，在該礦開(kāi)采技術(shù)及礦巖取樣的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D數(shù)值模擬手段，以間柱礦體中預(yù)留點(diǎn)柱的數(shù)量及位置來(lái)劃分回采方案，研究了礦柱內(nèi)部應(yīng)力及位移變化規(guī)律，對(duì)間柱回采進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過(guò)分析對(duì)比得出最優(yōu)方案，并在富水下回采時(shí)對(duì)頂板隅角及中央處進(jìn)行了防水作業(yè)，保證了回采工作的安全。

第四系 巖溶礦體 FLAC3D數(shù)值模擬 間柱回采

隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源需求的日益增大，地下礦產(chǎn)資源急劇衰減，尤其是那些開(kāi)采條件相對(duì)較好的礦床，人們不得不將目光集中在難采的礦床上。在我國(guó)山東、河北等地出現(xiàn)了一批巖溶大水礦山，如長(zhǎng)江北岸的和成鐵礦、河北閆莊鐵礦等。這些礦山地處平原，第四系層厚及含水量大，回采難度較大，尤其是二步驟礦柱的回采，既要盡可能的回收礦產(chǎn)資源，又要防止礦柱回采時(shí)擾動(dòng)頂板防水層，帶來(lái)安全隱患。對(duì)于這類(lèi)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，需要通過(guò)科學(xué)的方法進(jìn)行分析論證。本文以徐樓鐵礦二步驟礦柱回采為例，對(duì)其開(kāi)采進(jìn)行了模擬研究,為此類(lèi)型礦體的回采提供經(jīng)驗(yàn)。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

徐樓鐵礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，距淮北市15 km。礦區(qū)為沖積平原，地勢(shì)平坦，地表海拔高度30 m 左右。徐樓礦區(qū)石樓礦床一礦帶為該礦重點(diǎn)礦床，位于閃長(zhǎng)巖與大理巖連接帶及附近的大理巖內(nèi)。礦體受構(gòu)造控制明顯，沿閃長(zhǎng)巖上下兩側(cè)礦體呈水平狀，在閃長(zhǎng)巖頂部介面隆起時(shí)，礦體呈半月形凸鏡體。礦體埋深從60 m到160 m不等。上覆有第四系巖層，頂?shù)装逯饕獮榇罄韼r和閃長(zhǎng)巖，厚度較薄。礦體埋藏于侵蝕基準(zhǔn)面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。

礦區(qū)內(nèi)皆為第四系松散沉積物所覆蓋，砂層累計(jì)厚度約40 m。第四系沉積物中粉砂、細(xì)、中砂為主要含水層，單位涌水量為0.23～0.60 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.76～4.10 m/d。礦體頂?shù)装寤緸榇罄韼r，為巖溶裂隙含水層。該含水層埋藏于地表下42～120 m，厚度為40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發(fā)育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。其富水性?xún)?nèi)部差異較大，單位涌水量大于10 L/(s·m)，滲透系數(shù)為17.8 m/d。

為防止第四系含水層導(dǎo)通采場(chǎng)，在圖1所示巖土風(fēng)化線(xiàn)約-45 m水平以上預(yù)留約10余m厚的防水頂柱，大部分礦體位于-80 m水平以上，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罨夭伞２蓞^(qū)沿走向布置，寬約50 m，長(zhǎng)為礦體垂直走向長(zhǎng)度，高為礦體厚度。采區(qū)劃分為約38 m寬的采區(qū)礦房和約12 m寬的采區(qū)間柱(見(jiàn)圖2)。目前，一步驟采區(qū)礦房已經(jīng)回采并膠結(jié)充填完畢，由于充填空區(qū)面積較多，二步驟間柱回采研究正在展開(kāi)。

圖1 石樓礦床一礦帶礦巖縱投影

圖2 采場(chǎng)平面布置

2 模型構(gòu)建

2.1 本構(gòu)模型及破壞準(zhǔn)則[1]

采用FLAC3D軟件計(jì)算，顯式差分法求解，相對(duì)于有限元法，能更好的模擬材料的塑性破壞和塑性流動(dòng)，更為準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)分步開(kāi)挖回采數(shù)值模擬的要求，并可自動(dòng)處理計(jì)算結(jié)果，提供彩色圖形顯示的等值線(xiàn)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。

選用摩爾-庫(kù)倫巖土通用模型(Mohr-Coulomb)，該模型采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則。圖3即為FLAC3D摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則表現(xiàn)形式。

抗拉強(qiáng)度：

σmax=c/tanφ ,

(1)

抗剪強(qiáng)度：

|τ|=c+σntanφ ,

(2)

圖3 FLAC3D破壞準(zhǔn)則

2.2 初始力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力場(chǎng)[2]

實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用于巖體工程時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度折減。采用常用M.Georgi法處理相關(guān)參數(shù)，折減后力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 折減后礦巖力學(xué)參數(shù)

地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，是引起采礦工程變形和破壞的根本作用力。采場(chǎng)圍巖的失穩(wěn)主要由于開(kāi)挖過(guò)程中引起的巖體應(yīng)力重新分布，超過(guò)圍巖強(qiáng)度，引起圍巖過(guò)分變形而造成的，而開(kāi)挖施工過(guò)程中應(yīng)力重分布是否會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)程度要看初始地應(yīng)力場(chǎng)的具體情況而定，初始地應(yīng)力是影響采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的最主要的基本因素之一。由于礦區(qū)未進(jìn)行過(guò)初始地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)定，且屬于淺部回采，本研究中初始地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

3 研究方案

根據(jù)相關(guān)礦體資料，建立礦體三維實(shí)體模型如圖4所示。模型X方向?yàn)檠氐V體傾向方向，Z方向?yàn)榈V體走向，Y方向?yàn)殂U直方向。模型Y方向底部由-100 m平面下推200 m，X、Z方向由礦柱最近端分別外推約200 m。計(jì)算范圍為空區(qū)跨度的3～5倍，對(duì)于已有巷道模型中不予體現(xiàn)[3]。模型實(shí)際尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)620 m×460 m×300 m，固定以上五個(gè)邊界的位移和速度。將巖體視為似均質(zhì)和各向同性介質(zhì)，采空區(qū)開(kāi)挖形成是一次性的，不考慮時(shí)間效應(yīng)，采用平面切面的方式描述所研究巖體內(nèi)部的應(yīng)力、位移狀態(tài)及塑性破壞區(qū)大小。

圖4 礦體模型

間柱寬約12 m，長(zhǎng)為礦體厚度，為100～130 m，呈長(zhǎng)條狀。由于間柱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采取預(yù)留部分點(diǎn)柱來(lái)減少采場(chǎng)跨度進(jìn)行回采。根據(jù)預(yù)留點(diǎn)柱的數(shù)量，分為雙點(diǎn)柱方案與單點(diǎn)柱方案(見(jiàn)圖5)進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)前期數(shù)值模擬工作，雙點(diǎn)柱方案中，點(diǎn)柱長(zhǎng)度取12，15，18 m進(jìn)行分析對(duì)比，單點(diǎn)柱方案中，礦柱長(zhǎng)度取30，35 m進(jìn)行分析對(duì)比，各方案點(diǎn)柱寬度與原間柱一致，均為12 m。

圖5 間柱實(shí)體

4 結(jié)果分析

一般來(lái)說(shuō)，巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，通常空區(qū)圍巖的最大破壞隱患來(lái)自于受拉破壞[4]。對(duì)于上部富含水層的徐樓礦頂板，拉應(yīng)力會(huì)使巖體產(chǎn)生微裂隙或使原有裂隙擴(kuò)大導(dǎo)通含水層，應(yīng)重點(diǎn)考察頂板拉應(yīng)力區(qū)的分布。

圖6為雙點(diǎn)柱方案拉應(yīng)力分布云圖。從圖中可知，12，15，18 m 3個(gè)方案應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，僅是應(yīng)力集中區(qū)分布范圍大小有所區(qū)別。從模擬結(jié)果來(lái)看，礦柱區(qū)域壓應(yīng)力普遍在10～12 MPa。3個(gè)方案中均出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，其中18 m時(shí)拉應(yīng)力極值最小，約1.16 MPa；15 m時(shí)，最大拉應(yīng)力約1.43 MPa，相對(duì)于18 m，增長(zhǎng)幅度達(dá)到了23.3%；12 m時(shí)，最大拉應(yīng)力約1.62 MPa，相對(duì)于15 m，拉應(yīng)力增長(zhǎng)幅度達(dá)到了13.3%。即隨著暴露面積的加大，拉應(yīng)力逐漸增大，開(kāi)始布滿(mǎn)空區(qū)頂板。各方案中剪應(yīng)力的變化規(guī)律基本與拉應(yīng)力相同。12 m 時(shí)，剪應(yīng)力最大為2.31 MPa，可以認(rèn)為剪應(yīng)力對(duì)礦柱的威脅較小。各方案應(yīng)力分布及位移數(shù)值見(jiàn)表2。

圖6 雙點(diǎn)柱拉應(yīng)力云圖

表2 各方案最大應(yīng)力值及位移

注①表格中所統(tǒng)計(jì)的數(shù)值均為極值；②壓應(yīng)力及剪應(yīng)力數(shù)值偏小，拉應(yīng)力值更接近極限值，根據(jù)拉應(yīng)力來(lái)計(jì)算安全系數(shù)。

圖7為單點(diǎn)柱30，35 m方案拉應(yīng)力云圖。35 m時(shí)，最大拉應(yīng)力約0.97 MPa；30 m時(shí)，最大拉應(yīng)力約1.58 MPa，相對(duì)于前者增加了62.9%。從其他數(shù)據(jù)來(lái)看，礦柱預(yù)留寬度加寬5 m后能明顯的改善頂板的受力狀況，35 m各項(xiàng)數(shù)值僅為30 m的50%，35 m的安全系數(shù)要明顯高于30 m。

圖7 單點(diǎn)柱拉應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

(1)間柱回采前受力狀況較好，可以考慮對(duì)其進(jìn)行部分回收。預(yù)留點(diǎn)柱能很好的轉(zhuǎn)移并承擔(dān)應(yīng)力，隨著開(kāi)采跨度的增大，應(yīng)力轉(zhuǎn)移的幅度也逐步加大；在各應(yīng)力中，拉應(yīng)力對(duì)頂板的威脅要高于其他應(yīng)力。

(2)空區(qū)頂板拉應(yīng)力集中區(qū)大多分布于礦體頂板的隅角及中央處，為減少拉應(yīng)力對(duì)頂板巖體帶來(lái)的張性破壞，防止巖體裂隙的進(jìn)一步發(fā)育，在礦體開(kāi)采之前，在頂板的隅角及中央處要重點(diǎn)進(jìn)行注漿防水作業(yè)，保障回采的安全進(jìn)行。

(3)預(yù)留點(diǎn)柱尺寸越大，頂板安全系數(shù)提高越快，即原點(diǎn)柱尺寸越大，提高點(diǎn)柱尺寸帶來(lái)的效果越明顯。

(4)本次安全回采，關(guān)鍵在于防止受拉應(yīng)力影響頂板裂隙擴(kuò)展以導(dǎo)通含水層。經(jīng)比較，在預(yù)留點(diǎn)柱總寬度一樣的情況下，預(yù)留兩個(gè)(多個(gè))小尺寸的點(diǎn)柱要比預(yù)留一個(gè)大尺寸的點(diǎn)柱更有利于空區(qū)頂板的穩(wěn)定，但小點(diǎn)柱自身的受力狀況要差于大點(diǎn)柱。采用雙點(diǎn)柱方案不僅能減少拉應(yīng)力區(qū)的分布，也能提高回采率。

[1] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2] 郭 偉,張傳信,趙繼銀.大盤(pán)區(qū)高應(yīng)力下礦柱回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬[J].金屬礦山,2013,443(5):27-30.

[3] 鄭守寶.礦柱回采中三維數(shù)值模擬的運(yùn)用[J].中國(guó)礦山工程,2012,41(2): 12-15.

[4] 馬雄忠,王文杰.佛子礦間柱回收與空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬[J].金屬礦山,2014,452(2):22-25.

Numerical Simulation Research on Karst Water Orebody Barrier Pillar Stoping

Wang Lei1Sheng Zhaofeng1Guo Wei2,3,4

(1.Huaibei Xulou Mining Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The mining difficulty of karst water orebody is harder than conventional orebody, especially for the second step pillar stoping, under the condition of karst water in quaternary system, the conventional pillar stoping method can not meet the safety requirements, the defect can be better solved based on the computer numerical simulation method. Taking the Xulou iron mine as the research example, based on mastering the mining technology conditions and ore-bearing rock samples of the mine, the stoping scheme can be divided by the number and location of the reserved point pillars in the orebody pillars by using the FLAC3Dnumerical simulation method to analyze the stress and deformation change regularity inside the pillar and conduct stability analysis of the pillar stoping. The optimal scheme is obtained by analysis and comparison, besides that,the stoping under the rich aquifer should give priority to the waterproof operation of the roof angle and central place to ensure stoping safety.

Quaternary system, Karst orebody, FLAC3D, Numerical simulation, Pillar stoping

2015-06-10)

王 磊(1982—)，男，總工程師，235000 安徽省淮北市濉溪縣。