上向分層充填法點柱尺寸對地表變形影響分析

楊家冕 汪紹元 王 星

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

上向分層充填法點柱尺寸對地表變形影響分析

楊家冕1,2,3汪紹元1,2,3王 星1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求日益增加，一些原來沒有開采價值的“三下”資源項目也逐步列入了開采計劃。如何安全、高效、經(jīng)濟、合理地回收這些資源，并確保不影響到地表相關(guān)設(shè)施的安全，是近年來采礦界研究的重點。根據(jù)蒼山鐵礦礦體開采技術(shù)條件，提出了目前比較適用于低價值資源開采的盤區(qū)點柱式上向分層充填采礦方法，通過參考類似礦山的經(jīng)驗，初步選擇了幾組可行的采礦方法點柱尺寸及頂板暴露面積參數(shù)，并利用數(shù)值模擬方法分析預(yù)測其對地表變形的影響。通過多方案組合的模擬分析比較，采用采場點柱尺寸4 m×4 m的情況下，暴露面積為500 m2時方案較優(yōu)，可提高礦石回收率3%～5%；模擬結(jié)果同時表明在此采場參數(shù)下，地表移動變形預(yù)測值均小于規(guī)程所允許值。

點柱尺寸 數(shù)值模擬 地表變形

在礦產(chǎn)資源日益短缺的情況下，一些難采的“三下”資源開采對我國的經(jīng)濟發(fā)展起著重要的意義。位于山東省棗莊市與臨沂市交界的魯城鄉(xiāng)境內(nèi)的蒼山鐵礦就屬于較典型的"三下"資源礦山，該礦地表上部有村莊、礦區(qū)工業(yè)場地、國防光纜及206國道，地表不允許有較大規(guī)模的變形。一般的"三下"開采時，要根據(jù)采礦條件預(yù)計地表移動變形，然后根據(jù)變形值大小評定建(構(gòu))筑物的損壞程度，采取相應(yīng)措施后，確定開采方案及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]。該礦采用盤區(qū)點柱式上向分層充填法，利用有限差分法對采場參數(shù)方案進行分析，在地表變形允許的范圍內(nèi)，對其參數(shù)結(jié)果進行對比，得出合理的點柱量和頂板暴露面積，既保護地表構(gòu)筑物安全，又盡可能多地回收了礦產(chǎn)資源[2]。

1 模擬計算分析

1.1 計算模型建立及邊界條件確定

結(jié)合蒼山鐵礦的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及所用的采礦方法的工藝特點，為完全模擬開采、頂板圍巖受采動影響的過程及開采過程中采場內(nèi)點柱的穩(wěn)定性，以蒼山鐵礦32～56勘探線剖面圖中具有代表性的36、38、41、42、44、46、48以及55勘探線剖面圖為建模的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，沿礦體走向方向進行采礦作業(yè)的研究，進行數(shù)值模擬[3]。最終確定以下2組模型，進行相關(guān)數(shù)值計算：模型1，暴露面積為400 m2，模型長度500 m、寬度100 m、高度324 m；模型2，暴露面積為500 m2，模型長度500 m、寬度100 m、高度324 m。

由于計算時模型的尺寸已經(jīng)考慮了采場開挖以后造成的影響范圍，故而只需在模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型在前后及左右方向均施加水平方向約束，在模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面[4]。

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)蒼山鐵礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計算的要求經(jīng)歸類及工程處理后，考慮了3種力學(xué)介質(zhì)：上盤，黑云母角閃片巖；下盤，磁鐵角閃片巖；礦體，磁鐵礦石[6]。在數(shù)值模擬過程中所用力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬計算

采場在分層充填開采情況下圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化、位移和對地表的影響。根據(jù)采礦工藝，每中段的開采分8步進行，每次充填后在上部預(yù)留2 m范圍作為繼續(xù)上采的空間，最后一分層進行接頂充填。模擬在點柱尺寸4 m×4 m的情況下，暴露面積分別為400 m2和500 m2時，對地表的移動變形情況；模擬在點柱尺寸5 m×5 m的情況下，暴露面積分別為400 m2和500 m2時，對地表的移動變形情況。分層充填開采參數(shù)如表2。

2 模擬分析

通過分析計算，截取2種暴露面積下采場第一分

表2 點柱式分層充填開采參數(shù)

Table 2 Parameters of the pointed pillar overhandcut and fill mining method

m

層充填后和最后一分層充填后的位移云圖，如圖1～圖4所示。

圖1 面積為400 m2第一分層充填后位移云圖

圖2 面積為400 m2最后一分層充填后位移云圖

圖3 面積為500 m2第一分層充填后位移云圖

圖4 面積為500 m2最后一分層充填后位移云圖

分別進行了不同頂板暴露面積和不同尺寸的點柱耦合作用下點柱式上向分層充填采礦法的數(shù)值模擬計算，得到了礦體回采過程中圍巖的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)和地表變形參數(shù)，進而進行不同參數(shù)采場回采時采場穩(wěn)定性和對地表建(構(gòu))筑物的影響分析[6]。對于水平及緩傾斜礦體開采引起的地表變形，采用文獻[7]中所述公式進行計算。

2.1 采場頂板和地表下沉分析

當(dāng)頂板暴露面積為400 m2，點柱尺寸為4 m×4 m，頂板最大沉降量為7.62 mm，地表最大沉降量為1.18～1.20 mm。暴露面積為500 m2，點柱尺寸為4 m×4 m，頂板的最大沉降量為8.10 mm，地表最大沉降量為1.50～1.55 mm。

頂板最大沉降量和地表最大沉降量見圖5。

圖5 頂板最大沉降量和地表最大沉降量

將不同頂板暴露面積的采場開挖后的計算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在充填體上進行上向回采時頂板位移變化規(guī)律幾乎一致，只是在位移數(shù)值上有所差別，并且有所減小，最大減幅為26.37%。

2.2 地表傾斜分析

分析數(shù)值模擬結(jié)果，礦體回采引起了地表的不均勻下沉，改變了地表的原始坡度，形成了傾斜[5]。

(1)點柱尺寸為4 m×4 m時地表傾斜如圖6、圖7所示。

圖6 頂板暴露面積為400 m2時地表傾斜值

圖7 頂板暴露面積為500 m2時地表傾斜值

(2)點柱尺寸為5 m×5 m時地表傾斜如圖8、圖9所示。

圖8 頂板暴露面積為400 m2時地表傾斜值

圖9 頂板暴露面積為500 m2時地表傾斜值

2.3 地表曲率分析

(1)點柱尺寸為4 m×4 m時地表曲率如圖10、圖11所示。

圖10 頂板暴露面積為400 m2時地表曲率值

圖11 頂板暴露面積為500 m2時地表曲率值

(2)點柱尺寸為5 m×5 m時地表曲率如圖12、圖13所示。

圖12 頂板暴露面積為400 m2時地表曲率值

圖13 頂板暴露面積為500 m2時地表曲率值

2.4 地表水平變形分析

(1)點柱尺寸為4 m×4 m時地表水平變形如圖14、圖15所示。

圖14 暴露面積為400 m2時地表水平變形值

圖15 暴露面積為500 m2時地表水平變形值

(2)點柱尺寸為5 m×5 m時地表水平變形如圖16、圖17所示。

圖16 暴露面積為400 m2時地表水平變形值

圖17 暴露面積為500 m2時地表水平變形值

綜合上述地表變形分析，各模擬方案條件下的地表變形值見表3。

表3 各模擬方案條件下地表變形值

3 結(jié) 論

通過上述分析可知，當(dāng)采場點柱尺寸一定時，地表變形值隨采場頂板暴露面積的增大而增大，當(dāng)頂板暴露面積一定時，地表變形值隨采場內(nèi)點柱尺寸的增大而減小。模擬的點柱尺寸及頂板暴露面積對地表移動變形值均小于規(guī)程所允許值(傾斜i=±3 mm/m；曲率K=±0.2×10-3/m；水平變形ε=±2 mm/m)，因此選擇4 m×4 m點柱，頂板暴露面積500 m2時，可以減少點柱的損失量，與原有5 m×5 m點柱，頂板暴露面積400 m2的方案比較，可提高3%～5%的回收率，獲得的經(jīng)濟效益較優(yōu)。

[1] 鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷過程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003. Zou Youfeng，Deng Kazhong，Ma Weimin．Mining Subsidence Process in Mines[M]．Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003．

[2] 杜國慶.充填體中礦柱留設(shè)對地表沉降的影響[D].唐山：河北理工大學(xué)，2008. Du Guoqing．The Mineral Pillar Reservation to the Influence of Surface Subsidence in the Filling Body[D]．Tangshan：Hebei Polytechnic University，2008．

[3] 楊家冕，劉人恩,王 星.數(shù)值模擬在分層充填法采場參數(shù)選擇中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(3)：30-32. Yang Jiamian，Liu Renen，Wang Xing．Application of numerical simulation to stope parameters selection of the slicing and backfilling mining method[J]．Metal Mine，2013(3)：30-32．

[4] 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. Sun Guoquan，Li Juan，Hu Xingbao．FLAC3D-based stability analysis of mined-out area[J]．Metal Mine，2007(2)：29-32．

[5] 余學(xué)義，張恩強.開采沉陷學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010. Yu Xueyi，Zhang Enqiang．Learning for Mining Subsidence[M]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，2010．

[6] 朱建明，徐秉業(yè)，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中的應(yīng)用[J]．中國礦業(yè)，2000,9(4):78-81. Zhu Jianming，Xu Bingye，Zhu Feng．FLAC and its application in the mining engineering[J]．China Mining Magazine，2000,9(4):78-81．

[7] 國家煤炭工業(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[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000. State Coal Industry Bureau．Buildings，Water Bodies and Railways and the Main Shaft and the Coal Pillar and Press Coal Mining Regulations[S]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，2000．

(責(zé)任編輯 石海林)

Influence Analysis on Surface Deformation Under DifferentPillar Sizes of Overhand Cut and Filling Mining Method

Yang Jiamian1,2,3Wang Shaoyuan1,2,3Wang Xing1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Manshan243000，China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Manshan243000，China;3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.,Ltd.，Manshan243000，China)

With the continuous development of China's national economy，the demand for mineral resource is increasing.Some "three-under" resources that was not worth mining in the past are gradually listed to be mined.It is a focus in the study of mining industry in recent years that how to recycle those resources safely，efficiently，economically and ensure the safety of the related facilities on the surface.The panel overhand cut and filling mining method which is suitable for low value resources is put forward based on the mining technology condition of Cangshan Iron Mine.Groups of parameters including pointed pillar size and exposed area of roof are primarily selected by reference to the similar mining experience.Then，the numerical simulation is used to analyze and predict its influence on surface deformation.The results show that the scheme with pillar size 4m×4m and exposed area of roof 500 m2is optimal，compared with other schemes.It improves the ore recovery by 3% ～ 5%.The simulation results show that the surface deformation value is less than the allowed under the recommended parameters.

Pointed pillar size，Numerical simulation，Surface deformation

2015-06-25

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB07B02)。

楊家冕(1980—)，男，高級工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-046-05