深部復(fù)雜地壓崩落法回采數(shù)值模擬

肖益蓋 王 星 楊家冕

(1.中鋼集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.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，安徽馬鞍山243000)

桃沖礦業(yè)公司長(zhǎng)龍山鐵礦在淺部曾采用露天開采，轉(zhuǎn)入地下開采之后采用崩落法回采。其0m水平以上為急傾斜厚大礦體，礦體向南傾。但是從0m水平以下后由急傾斜礦體變?yōu)榫弮A斜礦體，且礦體由南向北傾斜，在剖面上礦體發(fā)生了倒轉(zhuǎn)，基本呈鐮刀狀。礦山現(xiàn)有生產(chǎn)水平正處于倒轉(zhuǎn)部位，由于次生應(yīng)力分布所致，回采過(guò)程中在0m水平的下盤位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)上盤出現(xiàn)了懸頂危險(xiǎn)，隨著開采深度的逐漸變大，礦山地壓活動(dòng)日漸復(fù)雜，工程布置和維護(hù)難度加大，所以需要結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行深部復(fù)雜地壓分布規(guī)律的探究，為礦山提供理論參考依據(jù)。

1 工程概況

主礦體地表出露于礦床東部，礦體呈似層狀，產(chǎn)在黃龍組灰?guī)r與棲霞組之間，賦存標(biāo)高為320～－235 m。主礦體沿走向長(zhǎng)600 m，地表延伸380 m，最厚處約110 m。礦體走向75°～80°，地表礦體向南傾，深部向北傾，最大延深＞600 m。其傾斜由地表至+50m標(biāo)高一般較陡，向南傾，傾角60°～90°;+50至－200 m處礦體向北緩傾，傾角20°～30°。

礦體的頂板巖石，主要為棲霞組灰?guī)r。其巖性一般較致密，但深部的棲霞灰?guī)r，一般含瀝青質(zhì)、炭質(zhì)高，局部大理巖化較強(qiáng)，因此巖石穩(wěn)定性降低。尤其是礦體與灰?guī)r的接觸帶上，巖石性脆易碎、局部松散。礦體底板巖石有4種，主要是石榴石矽卡巖和棲霞組灰?guī)r，少量黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r和五通組石英砂巖，屬硬質(zhì)巖，巖石質(zhì)量中等，穩(wěn)定性較強(qiáng)?？偟牡装鍘r石，屬基本穩(wěn)定，局部與礦體接觸帶棲霞組大理巖化灰?guī)r，弱風(fēng)化，故穩(wěn)定性較差。

長(zhǎng)龍山鐵礦深部礦體為主礦體的延深，巖礦層均為堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖層，除局部地段較軟弱破碎外，一般穩(wěn)固性中等～好，區(qū)內(nèi)風(fēng)化及巖溶作用一般。屬以堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖層為主，工程地質(zhì)條件中等的礦床類型。

2 深部復(fù)雜地壓崩落法回采數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型建立

結(jié)合桃沖礦業(yè)公司長(zhǎng)龍山鐵礦的礦體賦存條件和所采用的無(wú)底柱分段崩落法的特點(diǎn)，以桃沖礦業(yè)公司長(zhǎng)龍山鐵礦05、09、W01勘探線為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值模擬。最終確定單空區(qū)穩(wěn)定性分析和單翼推進(jìn)回采2個(gè)方案，進(jìn)行回采數(shù)值計(jì)算。建模如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

2.2 邊界條件

由于在建模過(guò)程中已經(jīng)考慮了進(jìn)行深部回來(lái)時(shí)造成的周邊影響范圍，所以加載邊界條件時(shí)在模型的除頂面以外的其余各面施加固定約束，其頂面留置為自由邊界。

2.3 初始應(yīng)力及巖體力學(xué)參數(shù)

初始地應(yīng)力和巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)于數(shù)值計(jì)算至關(guān)重要，由于礦山尚未進(jìn)行有關(guān)的地應(yīng)力測(cè)量，所以在計(jì)算模型中采用以自重應(yīng)力場(chǎng)為主的初始應(yīng)力模擬。

根據(jù)桃沖礦業(yè)公司長(zhǎng)龍山鐵礦的工程地質(zhì)條件，將室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得的參數(shù)進(jìn)行折減，見表1。

2.4 模擬方案

影響回采過(guò)程中0 m以上下盤和倒轉(zhuǎn)部位礦巖體穩(wěn)定性的因素很多，本次數(shù)值模擬計(jì)算考慮的因素主要有礦體圍巖、采礦方法及其參數(shù)和回采順序等。設(shè)定的數(shù)值模擬方案如下。

表1 長(zhǎng)龍山鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)Table1 Rock massm echanics parameters of Changlongshan orem ine

(1)地應(yīng)力場(chǎng)的形成。模型建立完成之后，使其以自重應(yīng)力場(chǎng)為主達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)［1］。

(2)采場(chǎng)的形成。依據(jù)礦山所采用的無(wú)底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行井下采場(chǎng)模型的構(gòu)建。

(3)模擬計(jì)算單采場(chǎng)最大安全暴露面積。分別計(jì)算單采場(chǎng)暴露面積為962 m2、1 650 m2、2 269 m2的3種條件下圍巖及倒轉(zhuǎn)部位應(yīng)力應(yīng)變情況及塑性區(qū)分布狀態(tài)，進(jìn)而判斷在單采場(chǎng)條件下的最大安全可暴露面積。

(4)進(jìn)行不同回采順序條件下礦巖體及倒轉(zhuǎn)部位穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。依據(jù)礦山采礦方法和采礦順序按沿走向方向單翼推進(jìn)回采的方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

上述每個(gè)步驟的計(jì)算均在前一步開采計(jì)算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，并且逐步推進(jìn)和計(jì)算，從而客觀地反映了前步開采對(duì)下一步開采的疊加效應(yīng)［2］，同時(shí)，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中對(duì)圍巖的應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 模擬結(jié)果

數(shù)值計(jì)算得到了各方案下的最大和最小主應(yīng)力云圖以及圍巖位移的記錄曲線，如圖2～圖13所示。圖中應(yīng)力單位為MPa。

(1)單采場(chǎng)最大安全暴露面積模擬。

圖2 962m2最大主應(yīng)力Fig.2 M aximum principal stress of 962 m2

圖3 962m2最小主應(yīng)力Fig.3 M inimum principal stress of 962 m2

圖41 650 m2最大主應(yīng)力Fig.4 M aximum principal stress of 1 650m2

圖51 650 m2最小主應(yīng)力Fig.5 M inimum principal stress of 1 650m2

圖62 750 m2最大主應(yīng)力Fig.6 M aximum principal stress of 2 750m2

圖72 750 m2最小主應(yīng)力Fig.7 M inim um p rincipal stress of 2 750 m 2

(2)單翼推進(jìn)回采。根據(jù)礦山所采用的無(wú)底柱分段崩落采礦法，分段高度為12.5m，進(jìn)路間距為12.5m，本方案中分段內(nèi)進(jìn)路回采順序?yàn)閱我硗七M(jìn)回采，即從礦體走向的一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)。

圖8 初期回采最大主應(yīng)力Fig.8 M aximum principal stress in initial stage

圖9 初期回采最小主應(yīng)力Fig.9 M inimum principal stress in initial stage

圖10 初期回采后上覆巖體及倒轉(zhuǎn)部位位移記錄曲線Fig.1 0 Displacement curve of inverted position in initial stage

圖11 后期回采最大主應(yīng)力Fig.1 1 M axim um principal stress in later stage

圖12 后期回采最小主應(yīng)力Fig.1 2 M inimum principal stress in later stage

圖13 后期回采后上覆巖體及倒轉(zhuǎn)部位位移記錄曲線Fig.1 3 Disp lacement curve of inverted position in later stage

2.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，在礦山現(xiàn)有無(wú)底柱分段崩落法參數(shù)條件下，七中段采用單翼推進(jìn)回采時(shí)，上覆巖層和倒轉(zhuǎn)部位的應(yīng)力分布狀態(tài)在原崩落覆蓋層上下盤呈現(xiàn)異差。進(jìn)行初期回采時(shí)，上覆巖層的最大主應(yīng)力在垂直方向上基本成層狀分布，崩落的覆蓋層釋放了次生應(yīng)力分布所產(chǎn)生的能量，使得0m以上下盤次生應(yīng)力小于上盤最大主應(yīng)力。倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為4.0～6.0 MPa，小于同水平上盤巖體內(nèi)的應(yīng)力，倒轉(zhuǎn)部位最大位移為10.44 cm，七中段采場(chǎng)上覆巖體最大位移為20.41 cm。

隨著回采工作的進(jìn)行，至中期回采時(shí)，最大主應(yīng)力產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在七中段－32 m分段的上盤礦巖接觸帶中，最大值為17.9 MPa。倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為4.0～5.0 MPa，初現(xiàn)弱減趨勢(shì)。此時(shí)最大位移出現(xiàn)在下部－7m水平，為4.14m，即為上覆巖層的崩落。倒轉(zhuǎn)部位最大位移為13.03 cm。

至后期回采時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在－57m水平上盤礦巖交界處，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為14.8 MPa，并在上盤中央出現(xiàn)卸壓區(qū)。倒轉(zhuǎn)部位最大主應(yīng)力為4.0～5.0 MPa。最大位移仍然在下部－7 m水平，為5.77 m，表現(xiàn)為上覆巖層的崩落。倒轉(zhuǎn)部位的最大位移為17.56 cm，至回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位的位移呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位退出塑性屈服狀態(tài)，七中段整體上盤有25 m左右范圍處于拉伸塑性屈服狀態(tài)，并且在計(jì)算結(jié)束時(shí)尚未退出屈服狀態(tài)。

由上可以，采用單翼回采方式時(shí)，最大主應(yīng)力隨著七中段的回采過(guò)程逐漸變動(dòng)，并在七中段上盤礦巖交界處表現(xiàn)明顯，呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。上部倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為6.0 MPa，并在回采過(guò)程中呈現(xiàn)穩(wěn)定。最大位移隨著回采步驟的進(jìn)行也呈現(xiàn)異差，整體最大位移出現(xiàn)在－7 m水平頂板位置，并且逐漸增大，至回采結(jié)束時(shí)，最大位移為5.77m。根據(jù)位移監(jiān)測(cè)記錄可以看出，倒轉(zhuǎn)部位的最大位移隨回采過(guò)程的進(jìn)行也逐漸增大，但增長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于七中段上覆巖層，至回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位最大位移為17.56 cm，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)對(duì)單采場(chǎng)最大安全暴露面積的數(shù)值模擬，結(jié)合收斂性判據(jù)、塑性區(qū)判據(jù)，并考慮安全系數(shù)，在單采場(chǎng)條件下，桃沖礦業(yè)公司長(zhǎng)龍山鐵礦單采場(chǎng)頂板最大安全暴露面積控制在1 700 m2以內(nèi)是合理可行的。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用單翼回采時(shí)，影響了上覆巖層和倒轉(zhuǎn)部位的應(yīng)力分布，地壓在走向中央呈逐漸卸壓狀態(tài)，在上盤礦巖交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在0 m水平以上工程所在位置地壓有所增大，局部區(qū)域處于塑性屈服狀態(tài)，倒轉(zhuǎn)部位有冒落的可能性。

(3)建議礦山采用單翼推進(jìn)回采方案，監(jiān)測(cè)0 m水平以上工程的穩(wěn)定性。

［1］ 吳 昊.數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，25:122.

Wu Hao.The application of numerical simulation inmining engineering［J］.Science and Technology Innovation and Application，2014，25:122.

［2］ 王培濤，楊天鴻，柳小波.邊孔角對(duì)無(wú)底柱分段崩落法放礦影響的顆粒流數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2010(3):12-16.

Wang Peitao，Yang Tianou，Liu Xiaobo.Numerical study on caving state of overlying rock and ore-body by caving method［J］.Metal Mine，2010(3):12-16.