緩傾斜中厚礦體回采數(shù)值模擬分析

白 銀 王 星

(1.西安建筑科技大學(xué)工程管理學(xué)院；2.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司；

3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

緩傾斜中厚礦體回采數(shù)值模擬分析

白 銀1,2王 星3

(1.西安建筑科技大學(xué)工程管理學(xué)院；2.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司；

3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

緩傾斜中厚礦體的回采由于受到礦石運(yùn)搬和采場(chǎng)頂板管理問(wèn)題的困擾，成為礦山生產(chǎn)難題，也沒(méi)有固定的經(jīng)驗(yàn)可言。為研究此類礦床的開采方式，依據(jù)特定礦山的礦床賦存條件和開采技術(shù)條件，選擇相適應(yīng)的采礦方法，采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行采礦方法安全性的數(shù)值模擬分析和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，最終選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法。

緩傾斜中厚礦體 數(shù)值模擬 最大頂板暴露面積 傾斜值 曲率值

蒼山鐵礦位于山東省蒼山縣與棗莊市交界處，隸屬中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司，礦區(qū)周邊有國(guó)道通過(guò)，交通十分便利。礦山采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，主井采用箕斗提升，副井采用罐籠提升，主要負(fù)責(zé)人員、材料和部分廢石的提升，初步設(shè)計(jì)規(guī)模為200萬(wàn)t/a，分2期建設(shè)。初期開采-140 m水平以上礦體，此部分礦體屬于緩傾斜礦體，礦石搬運(yùn)及采場(chǎng)頂板管理等問(wèn)題亟待解決。

1 礦體地質(zhì)特征

根據(jù)資源核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和礦山地質(zhì)資料，礦區(qū)共有3個(gè)礦體，其中2個(gè)為主礦體，呈分層鞍狀分布，另一個(gè)礦體為零星小礦體，初期開采暫時(shí)不考慮。2#礦體為主礦體，其資源量占探明總資源量的50%以上，賦存在含礦層內(nèi)，由30個(gè)勘探鉆孔控制，賦存標(biāo)高為0～-310 m，走向長(zhǎng)2.5 km左右，最大埋深為250 m，礦體傾角為20°左右，平均厚13 m，礦體形態(tài)變化單一。3#礦體在空間上位于2#礦體的上盤，其規(guī)模相對(duì)較小，其資源量占探明資源總量的40%左右，由25個(gè)鉆孔控制，賦存標(biāo)高為+20～-260 m，礦體走向長(zhǎng)2.5 km，平均厚10 m，傾角為30°左右，礦體從東向西逐漸變厚。

2 采礦方法選擇

蒼山鐵礦的礦床開采技術(shù)條件較特殊，礦體屬于緩傾斜中厚礦體，呈鞍狀分布，礦巖穩(wěn)定，礦體頂板為層狀，但在受到采場(chǎng)開采擾動(dòng)后，易發(fā)生整體性冒落。礦區(qū)地表有國(guó)道通過(guò)，并且附近有村莊，不允許塌陷。另一方面，礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力較大，需采用機(jī)械化程度較高的采礦方法，并且要求采礦工序和生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單，能夠滿足礦山生產(chǎn)能力要求，減少礦山采充循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)礦床開采技術(shù)條件和以上開采要求，考慮緩傾斜中厚礦體回采所面臨的困難，結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似礦山的開采經(jīng)驗(yàn)，選擇盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法。

采場(chǎng)布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)初步設(shè)置：沿礦體走向劃分采區(qū)[1]，回采時(shí)從采區(qū)的一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)，兩相鄰的采區(qū)之間留設(shè)連續(xù)性礦柱，和充填體一起支撐采場(chǎng)。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)的有效運(yùn)距，采區(qū)的長(zhǎng)度設(shè)定為250 m，相鄰采區(qū)間的連續(xù)礦柱寬20 m，點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m，分層回采高度為6 m，控頂高度為8 m。采用脈外無(wú)軌采準(zhǔn)方式，主要工程有采區(qū)斜坡道、分層聯(lián)絡(luò)道、分層切割巷、礦石溜井和充填回風(fēng)井等。

3 采礦方法數(shù)值模擬

根據(jù)采礦方案特點(diǎn)對(duì)回采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。一方面，根據(jù)初選的采礦方法，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)缺乏一定的理論指導(dǎo)，其在特定條件下的安全性無(wú)從得知，大大增加生產(chǎn)管理的難度，對(duì)初選的采礦方法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其穩(wěn)定性狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)管理提供理論參考和實(shí)施依據(jù)；另一方面，由于本礦區(qū)地表不允許塌陷，采礦方法在保持采場(chǎng)穩(wěn)定性的前提下還需能夠保證地表的穩(wěn)定性，所以根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析回采對(duì)地表的影響，以便采取合理措施防止地表變形。主要的模擬內(nèi)容：①確定采場(chǎng)頂板的最大安全暴露面積；②在最大安全頂板暴露面積下，進(jìn)行盤區(qū)點(diǎn)柱上向分層充填采礦法回采時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析；③采場(chǎng)充填作業(yè)后，模擬分析回采作業(yè)對(duì)礦區(qū)地表的影響。

3.1 數(shù)值分析理論

礦巖體和充填體的數(shù)值模擬計(jì)算都需要特定材料的本構(gòu)模型，在分析軟件中，此次運(yùn)用的本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)侖模型和空模型[2]。

一般情況下，破壞準(zhǔn)則可表示為

(1)

式中，f為已知屈服函數(shù)，用來(lái)判定塑性流動(dòng)。在主應(yīng)力空間中為一曲面，落在曲面內(nèi)的應(yīng)力點(diǎn)為彈性狀態(tài)。

塑性狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽靠杀硎緸閺椥詰?yīng)變?cè)隽亢退苄詰?yīng)變?cè)隽恐停?/p>

(2)

彈性應(yīng)變?cè)隽亢蛷椥詰?yīng)力增量的關(guān)系表示為

(3)

式中，Si為彈性應(yīng)變?cè)隽康木€性方程。

流動(dòng)法則規(guī)定了塑性應(yīng)變?cè)隽肯蛄康姆较颍磁c塑性勢(shì)面的方向垂直，表示為

(4)

得到的新的應(yīng)力向量應(yīng)滿足屈服方程

(5)

摩爾-庫(kù)侖模型所采用的破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，3個(gè)主應(yīng)力關(guān)系為σ1≤σ2≤σ3。

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，決定了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。經(jīng)過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)后，考慮節(jié)理裂隙發(fā)育狀況，將參數(shù)進(jìn)行折減，得到的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 原巖應(yīng)力的確定

由于礦山目前沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的地應(yīng)力測(cè)量，數(shù)值模擬計(jì)算中按照自重應(yīng)力分布的應(yīng)力場(chǎng)假設(shè),即假設(shè)礦區(qū)巖體為連續(xù)、均質(zhì)的各向同性體，得到自重應(yīng)力場(chǎng)：

σZ=γH,

(6)

(7)

式中,σX、σY、σZ分別為X、Y、Z方向的自重應(yīng)力；γ為巖層的容重，N/m3；H為礦巖體的埋深，m；μ為泊松比。

3.4 最大頂板暴露面積的數(shù)值模擬

單采場(chǎng)不同頂板最大安全暴露面積的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。可以看出，采場(chǎng)回采對(duì)于圍巖的擾動(dòng)性隨著頂板暴露面積的增加而增強(qiáng)。

由圖1可知，采場(chǎng)頂板暴露面積為450 m2時(shí)，最大主應(yīng)力為9.22 MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)的兩側(cè)，采場(chǎng)隅角處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，頂板的最大位移量為6.73 mm。

由圖2可知，采場(chǎng)頂板暴露面積為600 m2時(shí)，單采場(chǎng)圍巖中最大主應(yīng)力為10.43 MPa，并且，在采場(chǎng)的頂板隅角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，也在采場(chǎng)的邊角處位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板圍巖的位移量為14.72 mm，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了塑性區(qū)屈服區(qū)域，但并未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 頂板暴露面積為450 m2時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合塑性區(qū)分布及應(yīng)力分布特征，單采場(chǎng)頂板的最大安全暴露面積控制在600 m2以內(nèi)是合理可行的。

3.5 回采數(shù)值模擬

根據(jù)采礦方法特點(diǎn)和單采場(chǎng)最大安全頂板暴露面積進(jìn)行回采時(shí)的數(shù)值模擬分析。頂板暴露面積為600 m2，點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m，盤區(qū)長(zhǎng)250 m，分層控頂高度為8 m，分層回采高度為6 m，每次充填之后，留設(shè)2 m高度的空間作為繼續(xù)上分層回采時(shí)的作業(yè)空間?；夭蓴?shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖2 頂板暴露面積為600 m2時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 首分層充填后最大主應(yīng)力

圖5 最后分層充填后最大主應(yīng)力

由圖3～圖5可知，當(dāng)進(jìn)行礦體回采時(shí)，擾動(dòng)了原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布，在整個(gè)回采過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖最大主應(yīng)力為12.38 MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板和上盤圍巖的交界處，表現(xiàn)為應(yīng)力集中現(xiàn)象，點(diǎn)柱中最大主應(yīng)力為10.43 MPa，表現(xiàn)為點(diǎn)柱徑向的壓應(yīng)力，未超過(guò)礦巖體的抗壓強(qiáng)度。采場(chǎng)充填后，采場(chǎng)圍巖最大主應(yīng)力出現(xiàn)降低趨勢(shì)，點(diǎn)柱在計(jì)算結(jié)束時(shí)退出了塑性屈服狀態(tài)，說(shuō)明充填體對(duì)于圍巖和點(diǎn)柱的耦合協(xié)調(diào)作用明顯，提升了點(diǎn)柱的支撐能力，在整個(gè)回采過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖未見(jiàn)有塑性區(qū)的貫通，采場(chǎng)表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

另一方面，根據(jù)數(shù)值模擬分析，在進(jìn)行分層回采過(guò)程中，對(duì)地表擾動(dòng)隨著開采進(jìn)行而出現(xiàn)疊加復(fù)合作用，當(dāng)回采第6分層之后，地表的變形值隨之趨于穩(wěn)定，并在開采結(jié)束后保持穩(wěn)定狀態(tài)。地表變形參數(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 地表變形值

由圖6可知，回采期間至結(jié)束，地表的最大變形值為傾斜1.104 mm/m，曲率0.020 3×10-3/m，水平變形0.18 mm/m，小于“三下”開采規(guī)范中地表建構(gòu)筑物所允許的變形值(地表傾斜值為±3 mm/m，曲率值為±0.2×10-3/m，水平變形值為±2 mm/m)[3]，地表公路和建筑物并不會(huì)受此影響。因此，所選盤區(qū)式點(diǎn)柱上向分層充填采礦法合理可行。

4 結(jié) 論

根據(jù)礦床賦存條件和開采技術(shù)條件選擇了采礦方法，參照經(jīng)驗(yàn)初選了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行特定條件下的單采場(chǎng)頂板最大安全暴露面積的模擬分析，得到了頂板控制的理論參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行采礦方法的數(shù)值模擬，得出回采過(guò)程中和結(jié)束時(shí)均不會(huì)對(duì)地表造成破壞，為采礦方法的合理可行性提供了理論參考。

[1] 楊家冕，劉人恩，王 星.數(shù)值模擬在分層充填法采場(chǎng)參數(shù)選擇中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(3)：29-31.

[2] 楊 威，蔡嗣經(jīng)，李有臣．南芬鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬[J]．有色金屬：礦山部分，2012，64(3)：75-77．

[3] 國(guó)家煤炭工業(yè)局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

2015-03-19)

白 銀(1972—)，男，主任助理，高級(jí)工程師，碩士，277700 山東省臨沂市蘭陵縣。