大高莊鐵礦采礦方法適用性研究

汪 亮 尹寶昌 胡道喜 陸玉根

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.山東盛鑫礦業(yè)有限公司)

大高莊鐵礦采礦方法適用性研究

汪 亮1，2,3尹寶昌4胡道喜4陸玉根1，2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;

3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.山東盛鑫礦業(yè)有限公司)

為了對大高莊鐵礦2種采礦方法的適用性進行研究，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，通過模擬采場開挖，確定了上述2種采礦方法的適用條件，指出了采場的破壞部位和形式，為礦山下一步布置采場提供參考。

采礦方法 適用條件 數(shù)值模擬 采場布置

大高莊鐵礦根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀重新選擇了采礦方法，即淺孔留礦嗣后充填法和分段鑿巖階段礦房嗣后充填法。前者需要人員在空場下作業(yè)，采場跨度的大小對頂板的穩(wěn)定性影響最大，如果礦體厚大，空場的跨度便較大，頂板冒落的可能性則越大，工作人員的人身安全則越難以保障；后者需要劃分若干分段，采切工程量大，如果礦體厚度較小，采切比則較大，將增加采礦成本，分段法采用中深孔鑿巖，如果礦體厚度小，還將會增加貧化率。為此，選用FLAC3D軟件對不同跨度的采場進行模擬開挖[1-3]，并分析主要的破壞部位及形式，以確定上述2種采礦方法的適用條件。

1 數(shù)值模型建立及力學參數(shù)確定

1.1 模型建立

根據(jù)淺孔留礦嗣后充填法確定的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合模擬條件，建立了數(shù)值模型，見圖1。

圖1 數(shù)值模擬淺孔留礦法開采模型(單位：m)

圖1中，采場寬度為此次模擬所要確定的值，根據(jù)礦體的實際厚度區(qū)間及經(jīng)驗值，初步擬定采場寬度分別為5，6，7，8 m，分別建立該類采場模型進行模擬開挖，并監(jiān)測模擬開挖過程中采場頂?shù)装鍛?yīng)力應(yīng)變及位移情況，從而確定最佳的采場寬度。

1.2 力學參數(shù)確定

對現(xiàn)場圍巖取樣進行室內(nèi)巖石力學試驗，對所獲得的巖石物理力學參數(shù)進行工程處理后得到礦巖體的力學參數(shù)，見表1。

表1 礦巖體力學參數(shù)

2 模擬計算結(jié)果分析

2.1 模擬計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模型和力學參數(shù)分別進行模擬計算，不同采場寬度所對應(yīng)的主應(yīng)力云圖如圖2所示。

2.2 分析討論

2.2.1 安全跨度分析

當采場寬度分別為5，6，7，8 m時，采場上覆巖層中的應(yīng)力呈層狀分布。采場寬度為5 m時，最大主應(yīng)力出現(xiàn)于采場下部兩側(cè)，并且在采場頂部角隅處6 m左右伴隨有應(yīng)力集中現(xiàn)象，采場頂板最大位移為6.728 mm；采場寬度為6 m時，在頂板角隅處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板最大位移為6.94 mm；采場寬度為7 m時，最大主應(yīng)力接近巖體的最大抗壓強度，此時采場頂板最大位移為7.024 mm，呈上升趨勢，但不明顯，兩幫區(qū)域處于剪切狀態(tài)；采場寬度為8 m時，最大主應(yīng)力略大于巖體的最大抗壓強度，此時采場頂板最大位移為1.472 cm，已經(jīng)進入厘米級階段，此時發(fā)生破壞的可能性較大。

圖2 不同采場寬度對應(yīng)的主應(yīng)力云圖

因此，當采用淺孔留礦法開采，采場長度為50 m 時，采場的寬度應(yīng)控制在8 m以內(nèi)，推薦采場跨度控制在6 m左右，個別節(jié)理裂隙較為發(fā)育的地段，采場寬度應(yīng)嚴格控制在6 m以下。

2.2.2 破壞模式及部位分析

由模擬計算結(jié)果可知，采場開挖明顯擾動原巖應(yīng)力場，開挖后頂板最大位移下沉量為6.728～14.720 mm，在采場寬度增大的情況下，其頂板下沉量也隨之增大，這與理論分析結(jié)果基本一致。在單空區(qū)條件下，采場的破壞形式包括頂板破壞、采場兩幫的靠攏和底鼓等。單空區(qū)采場可能的破壞模式有頂板冒落、頂板開裂和片幫等。

(1)采場頂板冒落。根據(jù)上述單空區(qū)條件下的模擬計算結(jié)果，并結(jié)合大高莊鐵礦圍巖地質(zhì)特征可知，單空區(qū)條件下采場頂板冒落破壞的模式有頂板的層狀冒落、折斷垮冒、楔形冒落和沿斷層破碎帶冒落等。

(2)采場頂板開裂。當采場拉開后，頂板產(chǎn)生的拉應(yīng)力在頂板有可能產(chǎn)生裂隙，張開裂隙的寬度為10～50 mm，該現(xiàn)象與由重力產(chǎn)生的垂直頂板的斜拉應(yīng)力分布有關(guān)，同時也與軟弱面有關(guān)，當該裂縫逐漸擴大時應(yīng)引起重視。

(3)片幫。采場的開挖明顯擾動原巖應(yīng)力場，大高莊鐵礦頂?shù)装鍑鷰r強度低，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在采用淺孔留礦法開采后，由于暴露面較大，極易出現(xiàn)片幫。

3 結(jié) 語

根據(jù)大高莊鐵礦的開采現(xiàn)狀，選定了采礦方法以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，并采用FLAC3D軟件進行模擬。結(jié)果表明：①采用淺孔留礦法開采的礦體厚度應(yīng)嚴格控制在8 m以內(nèi)，特別適合于開采厚度小于6 m的礦體；②采場可能的破壞部位包括采場頂板、兩幫，破壞表現(xiàn)形式有層狀冒落、頂板開裂、片幫等。經(jīng)過此次研究，確定了2種采礦方法適用的合理礦體厚度，指出了采場內(nèi)易出現(xiàn)破壞的部位和形式，對于礦山下一步布置采場具有一定的參考價值。

[1] 孫國權(quán)，李 娟，胡杏保.基于FLAC3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2007(2)：29-32

[2] 葉海旺，常 劍，周 磊.基于FLAC3D的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山，2010(12)：6-8.

[3] 吳洪詞，胡 興，包 太.采場圍巖穩(wěn)定性的FLAC算法分析[J].礦山壓力與頂板管理，2002(4)：96-98.

貴州新增鉛鋅資源量135.56萬t

近日，貴州省10個整裝勘查戰(zhàn)略選區(qū)項目提交成果報告并通過專家驗收，其中2個項目獲優(yōu)秀、8個項目獲良好，預測鋁土礦、金、鉛鋅等重要礦產(chǎn)新增一批資源量。(獲取更多礦業(yè)資訊 關(guān)注微信號zgky114)

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2015-01-09)

汪 亮(1982—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。