復(fù)雜地質(zhì)條件下條帶式嗣后充填采礦法多軟件耦合分析

任紅崗，王海軍，李密林 (1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 10008；.北京礦冶研究總院，北京 100160；.湖北宜化江家墩礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌 44000)

復(fù)雜地質(zhì)條件下條帶式嗣后充填采礦法多軟件耦合分析

任紅崗1，2，王海軍2，李密林3
(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.湖北宜化江家墩礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌 443000)

宜昌地區(qū)緩傾斜中厚破碎磷礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、開(kāi)采及充填次序選擇是開(kāi)采設(shè)計(jì)的難題。針對(duì)宜昌地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下條帶式嗣后充填開(kāi)采工藝，分析了斷層構(gòu)造與主應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系，開(kāi)展了巖石力學(xué)試驗(yàn)，基于多軟件耦合建模技術(shù)，對(duì)復(fù)雜條件下的礦區(qū)地應(yīng)力、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。通過(guò)對(duì)不同條帶式采場(chǎng)參數(shù)及開(kāi)采工藝模擬分析，得出隨著采場(chǎng)寬度增加，應(yīng)力與位移均隨采場(chǎng)寬度增加呈近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且?guī)r層強(qiáng)度逐漸減弱，圍巖失穩(wěn)形式主要為頂板拉伸破壞和礦柱剪切破壞。此外，采用隔2采1的開(kāi)采次序，可有效提高礦柱支撐能力，且圍巖在礦房回采后和充填后穩(wěn)定性均顯著增強(qiáng)。該成果可為類(lèi)似礦山采場(chǎng)布置提供理論指導(dǎo)。

復(fù)雜條件；斷層構(gòu)造；多軟件耦合；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)；開(kāi)采次序

緩傾斜中厚破碎礦體由于其礦巖穩(wěn)固性差以及產(chǎn)狀的特殊性，使得該類(lèi)礦體在開(kāi)采過(guò)程中存在采礦方法選擇難、生產(chǎn)安全性差、礦石裝運(yùn)困難、損失貧化大、采空區(qū)垮塌嚴(yán)重等問(wèn)題，成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難采礦體[1]。

多年來(lái)，宜昌地區(qū)磷礦較多采用房柱法、全面法等空?qǐng)龇?，由于頂板、礦體較為破碎，采場(chǎng)容易產(chǎn)生破壞。突出表現(xiàn)在采場(chǎng)安全生產(chǎn)環(huán)境惡化，采場(chǎng)生產(chǎn)能力普遍偏低，礦石損失嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益差，采礦回收率一般為70%～75%，造成了資源的極大浪費(fèi)[2]。隨著礦體的大規(guī)模采出，礦柱逐漸失穩(wěn)，頂板巖層發(fā)生破壞、離層、冒落，尤其在遇到復(fù)雜地質(zhì)條件，如在復(fù)雜地形、斷層、破碎帶等因素的影響下，易導(dǎo)致開(kāi)采范圍內(nèi)地表塌陷、山體崩落等重大工程災(zāi)害。因此在特定的條件下采用相適應(yīng)的采礦方法及其結(jié)構(gòu)參數(shù)尤為重要[3-6]。

1 斷層構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響

1.1 斷層構(gòu)造與主應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系

宜昌地區(qū)磷礦位于我國(guó)二級(jí)階地東端，屬以中山為主的山區(qū)地貌景觀。區(qū)內(nèi)山峰聳立，險(xiǎn)峻陡峭，遍布深溝狹谷，曲折迂回，地形復(fù)雜，總地形相對(duì)高差約1 500 m。磷礦為沉積型礦床，含礦巖系主要為白云巖組，礦層頂板呈中厚層狀，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，含水率較高，穩(wěn)定性相對(duì)較差。宜昌某磷礦三維地層分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 宜昌某磷礦三維地層分布圖

礦區(qū)斷層構(gòu)造、節(jié)理裂隙廣泛發(fā)育，斷層是由于高應(yīng)力場(chǎng)作用而形成構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷層的形成過(guò)程可概括為以下三個(gè)階段：①細(xì)微裂隙階段，發(fā)生于巖體所受應(yīng)力超過(guò)其自身強(qiáng)度時(shí)；②破裂面階段，當(dāng)應(yīng)力足夠大，細(xì)微系列逐漸擴(kuò)展并相互連接，形成破裂面；③斷層形成階段，當(dāng)斷裂面應(yīng)力差大于斷裂面之間的摩擦力，即產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，形成斷層。

在巖體所受的三向地應(yīng)力中，σ1為最大主應(yīng)力，σ2為中間主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力。E.M.Anderson分析了應(yīng)力狀態(tài)與斷層的關(guān)系，已被廣為接受。正斷層發(fā)生時(shí)，σ1直立，σ2和σ3水平，σ2與斷層走向方向相同；逆斷層發(fā)生時(shí)，σ1和σ2水平，σ3直立，σ2與斷層面走向方向相同；發(fā)生平推斷層時(shí)，σ2直立，σ1和σ3水平，σ1與斷層面走向方向相同[7-9]，見(jiàn)圖2。

1.2 斷層發(fā)生前后應(yīng)力變化關(guān)系分析

本文以正斷層為例，通過(guò)對(duì)斷層面的受力分析，推導(dǎo)出正斷層發(fā)生前后的應(yīng)力變化關(guān)系。由圖2可知，對(duì)于正斷層，有σ1=σ垂直=γH，σ3=σ水平。斷層發(fā)生時(shí)巖體破壞符合強(qiáng)度準(zhǔn)則，三向主應(yīng)力的計(jì)算見(jiàn)式(1)和式(2)。

σ1=C0+σ3tan2α

(1)

式中：C0為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；α為斷層傾角，°。

(2)

正斷層形成后，斷層面受力處于平衡狀態(tài)，此時(shí)可將σ垂直和σ水平分解為垂直于和平行于斷層面的分力，如圖3所示，其表達(dá)式見(jiàn)式(3)。

(3)

態(tài)，此時(shí)μ=tanφ=0，平衡下限發(fā)生在斷層面停止滑動(dòng)的瞬間。由式(1)、式(2)和式(3)可得式(4)。

(4)

若垂直應(yīng)力在正斷層形成前后不變，則在斷層形成前后，垂直于斷層走向水平應(yīng)力的比值，見(jiàn)式(5)。

(5)

在斷層面達(dá)到平衡上限時(shí)，則為式(6)。

(6)

由式(6)可求得斷層發(fā)生前后斷層面水平應(yīng)力的比值關(guān)系，為斷層構(gòu)造附近區(qū)域地應(yīng)力分析提供依據(jù)。

2 巖石力學(xué)試驗(yàn)及巖體力學(xué)參數(shù)確定

為確保回采的安全性，保持圍巖穩(wěn)定，避免采空區(qū)大面積垮塌地壓?jiǎn)栴}，開(kāi)展巖石力學(xué)試驗(yàn)尤為必要，以便為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及其結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)巖體的單軸壓縮試驗(yàn)確定巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，利用巖體的三軸壓縮試驗(yàn)確定巖體內(nèi)聚力和摩擦角。根據(jù)巖體卸圍壓試驗(yàn)研究巖體卸荷過(guò)程中的變形和能量變化特點(diǎn)，確定卸載時(shí)巖體的參數(shù)，如彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、摩擦角。巖石力學(xué)試驗(yàn)試樣見(jiàn)圖4和圖5。

圖3 斷層面應(yīng)力分解圖

圖4 巖石力學(xué)壓縮試驗(yàn)加工試樣

圖5 巖石劈裂試驗(yàn)試樣

在實(shí)際工程中，由于巖體存在斷層或者結(jié)構(gòu)面等缺陷，工程巖體強(qiáng)度并不同于巖石強(qiáng)度，參考現(xiàn)有的成果，主要采用Hoek-Brown法、費(fèi)辛柯法、M.Georgi法、莫爾圓法以及經(jīng)驗(yàn)法等方法，對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行工程變換，以便得到較為準(zhǔn)確的工程巖體強(qiáng)度指標(biāo)。在原有試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，充分考慮試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等因素的影響，將工程巖體物理力學(xué)參數(shù)匯總見(jiàn)表1。

3 礦區(qū)復(fù)雜地形多軟件耦合建模

3.1 基于3Dmine軟件建立礦區(qū)三維模型

3DMine軟件是基于地測(cè)采一體化的三維可視化技術(shù)，其與AutoCAD兼容性較好，方便實(shí)現(xiàn)二維與三維轉(zhuǎn)化與優(yōu)化，實(shí)用性較強(qiáng)。將地形圖的CAD格式導(dǎo)入3Dmine軟件，對(duì)其等高線逐一賦高差，使之從二維平面轉(zhuǎn)化為實(shí)際三維高程。另外，可利用巖層、斷層平面圖和剖面圖建立巖層三維結(jié)構(gòu)模型。本文三維地形建立過(guò)程如圖6所示。

3.2 MIDAS的建模技術(shù)

在MIDAS中建立復(fù)雜地質(zhì)模型，可以應(yīng)用MIDAS內(nèi)嵌工具地形數(shù)據(jù)生成器TGM，圖形建模法可以實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得，在3Dmine軟件中，將處理后三維地形線存儲(chǔ)為DXF格式文件，導(dǎo)入MIDAS內(nèi)嵌工具地形數(shù)據(jù)生成器TGM，通過(guò)調(diào)整坐標(biāo)區(qū)域、取樣點(diǎn)數(shù)量，生成TGS格式曲面見(jiàn)圖，在曲面基礎(chǔ)上建立礦區(qū)三維實(shí)體模型，見(jiàn)圖7(a)和圖7(b)。

表1 折減后巖體參數(shù)表

圖6 3Dmine建立的地形模型

圖7 MIDAS建立的三維模型

3.3 網(wǎng)格劃分

MIDAS除了可以較快地劃分網(wǎng)格以外，還可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查和分割操作，對(duì)復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分與檢查十分方便。按照礦山實(shí)際地質(zhì)情況可建立巖層及斷層三維結(jié)構(gòu)，在MIDAS軟件里對(duì)不同巖性的巖層劃分網(wǎng)格，形成礦區(qū)三維網(wǎng)絡(luò)劃分模型，見(jiàn)圖7(c)。

3.4 MIDAS 模型導(dǎo)入FLAC3D

MIDAS與FIAC3D模型建模時(shí)采用的單元形狀基本相同，這為兩種軟件模型互相導(dǎo)入提供了可能，但兩者模型的節(jié)點(diǎn)編號(hào)的規(guī)則和順序不同，在導(dǎo)入之前需要重新編排，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此需要建立一個(gè)轉(zhuǎn)換工具，這種轉(zhuǎn)化工具利用MATLAB編制。將MIDAS軟件所建模型的節(jié)點(diǎn)信息和單元信息分別保存至*．txt文件中，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成*．flac3d文件，在FLAC3D中，用impgrid命令導(dǎo)入轉(zhuǎn)換后的該*．flac3d文件，即可生成FLAC3D計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上施加邊界條件，設(shè)置初始應(yīng)力及本構(gòu)關(guān)系，對(duì)巖體參數(shù)賦值等，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3.5 礦區(qū)地應(yīng)力模擬分析

本文根據(jù)肖本職等[10]的關(guān)于礦區(qū)臨近區(qū)域的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料進(jìn)行研究分析，地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，見(jiàn)圖8。

從圖8中地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得出水平最大和最小主應(yīng)力表達(dá)式，如式(7)和式(8)所示。

σH=0.0374H+0.9050

(7)

σh=0.0260H+1.2840

(8)

式中:σH、σh分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；H為垂直深度，m。

為了下一步開(kāi)采水平采場(chǎng)穩(wěn)定性模擬分析，本文取710 m標(biāo)高開(kāi)采水平作為研究對(duì)象，分析其三向應(yīng)力分布狀態(tài)，見(jiàn)圖9。由于地形高差等影響，710 m標(biāo)高水平豎向應(yīng)力梯度分布大小符合地表高差起伏趨勢(shì)，最大豎向應(yīng)力位于兩側(cè)山峰底部，采場(chǎng)X方向水平應(yīng)力約為4.5～4.7 MPa，采場(chǎng)Y方向水平應(yīng)力約為6.5～7 MPa。斷層附近應(yīng)力分布應(yīng)力值變化較大，隨著離斷層面的距離增大，應(yīng)力值變化也趨于緩和。經(jīng)計(jì)算，斷層附近區(qū)域的地應(yīng)力值與式(6)計(jì)算結(jié)果相符。

圖8 水平地應(yīng)力隨埋深分布圖

圖9 開(kāi)采水平地應(yīng)力分布圖

4 條帶式充填采場(chǎng)數(shù)值模擬分析

4.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬分析

根據(jù)開(kāi)采技術(shù)條件，提出5種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場(chǎng)寬度分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m，分別從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分析采場(chǎng)穩(wěn)定性，確定較優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.1.1 應(yīng)力分布

圖10為不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)豎向應(yīng)力分布圖，由圖可以看出，礦房開(kāi)采后，應(yīng)力得到重新分布，最大豎向應(yīng)力發(fā)生在礦柱區(qū)域，且隨著礦房的尺寸增加，礦柱豎向應(yīng)力值在逐漸增大，當(dāng)?shù)V柱中豎向應(yīng)力超過(guò)一定值后，礦柱會(huì)發(fā)生劈裂破壞。

4.1.2 位移分布

圖11為不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)豎向位移分布圖，礦房開(kāi)采后，豎向位移位于礦房頂板，且中間礦房最大位移區(qū)域最大，這說(shuō)明相鄰礦房開(kāi)采越多，礦柱頂板豎向位移越大。豎向位移隨著礦房尺寸的增加而增大。

將不同采場(chǎng)開(kāi)采后應(yīng)力、位移結(jié)果匯總見(jiàn)圖12。

4.2 采場(chǎng)開(kāi)采順序模擬分析

以上分析單個(gè)礦房開(kāi)采后穩(wěn)定性，實(shí)際生產(chǎn)中礦房穩(wěn)定性也受開(kāi)采順序的影響，選擇合理的開(kāi)采順序，可以提高礦房、礦柱穩(wěn)定性。本次研究主要比較“隔1采1”和“隔2采1”不同順序的采場(chǎng)穩(wěn)定性。

隔1采1：第一步開(kāi)采礦房，待礦房充填達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)相鄰礦柱進(jìn)行第二步礦柱開(kāi)采。

隔2采1：第一步開(kāi)采礦房，開(kāi)采后進(jìn)行充填，達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)相鄰礦柱分兩次開(kāi)采，礦柱第一次開(kāi)采充填后再進(jìn)行第二次開(kāi)采。

與隔1采1相比，礦柱最大豎向應(yīng)力明顯減小(圖13)，采場(chǎng)頂板位移約減小一半(圖14)，可見(jiàn)，將開(kāi)采順序調(diào)整為隔2采1后，可有效提高礦柱的穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生劈裂破壞。

圖10 不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)豎向應(yīng)力比較

圖11 不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)豎向位移比較

圖15為開(kāi)采順序塑性區(qū)分布，塑性區(qū)分布在礦房頂板和幫壁，隔2采1方案在礦房開(kāi)采后塑性區(qū)域明顯小于隔1采1方案，可見(jiàn)，將開(kāi)采順序調(diào)整為隔2采1，可以有效提高礦柱支撐能力，減小礦柱、圍巖破壞。

4.3 塊石膠結(jié)充填模擬分析

為了控制礦壓，礦房開(kāi)采后要進(jìn)行充填，充填工藝分兩步驟，先在采空區(qū)底部進(jìn)行廢石膠結(jié)充填，當(dāng)廢石充填距頂板高1～1.5 m時(shí)，進(jìn)行混凝土接頂。經(jīng)數(shù)值模擬分析，膠結(jié)充填體中部區(qū)域易產(chǎn)生屈服破壞，需適當(dāng)提高中部膠結(jié)充填體強(qiáng)度。

圖12 不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬結(jié)果比較

4.3.1 充填體組成

本文充填體分為三類(lèi)。

1)底部較低強(qiáng)度廢石膠結(jié)體，充填體底部(1.5 m左右)受力較小，采用C10級(jí)強(qiáng)度膠結(jié)充填體強(qiáng)度。

2)中部較高強(qiáng)度廢石膠結(jié)體，充填體底部(5 m左右)受力較大，采用C15級(jí)強(qiáng)度膠結(jié)充填體強(qiáng)度。

3)頂部混凝土，為充分發(fā)揮充填體支撐采空區(qū)作用，采用C15級(jí)混凝土。

圖13 不同開(kāi)采順序應(yīng)力分布比較

圖14 不同開(kāi)采順序位移分布比較

圖15 不同開(kāi)采順序塑性區(qū)分布比較

4.3.2 充填順序選擇

在第二步驟回采礦房時(shí)，要在充填體所支撐的空間下進(jìn)行，因此充填體要有足夠的穩(wěn)定性，防止充填體片幫或垮塌。為了保證充填體穩(wěn)定性，本文對(duì)三種不同順序的充填方案進(jìn)行對(duì)比分析。

方案1：充填體位于礦房?jī)蓚?cè)，充填體與礦房間隔布置。

方案2：充填體位于礦房之間，充填體與礦房間隔布置。

方案3：兩充填體位于兩礦房之間。

4.3.3 塑性區(qū)比較

圖16是不同充填順序方案的塑性區(qū)分布情況，方案1中，兩膠結(jié)充填體塑性區(qū)分布較廣且相互貫通，表明充填體發(fā)生塑性屈服，產(chǎn)生破壞為剪切破壞。

圖16 不同充填順序方案的塑性區(qū)分布

方案2中，兩側(cè)膠結(jié)充填體由于只有一面臨空，基本處于穩(wěn)定，但中間膠結(jié)充填體與方案1相同，將產(chǎn)生剪切破壞。這說(shuō)明在頂板壓力作用下，充填體在兩側(cè)臨空的情況下其強(qiáng)度會(huì)大大降低。

方案3中，充填體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生片幫，兩膠結(jié)充填體相鄰布置可大大增強(qiáng)其強(qiáng)度，這種方式最為有利。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)宜昌地區(qū)磷礦開(kāi)采特點(diǎn)，分析了斷層構(gòu)造與主應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系，開(kāi)展了巖石力學(xué)試驗(yàn)，基于多軟件耦合建模技術(shù)，對(duì)礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)模擬分析，計(jì)算出礦區(qū)地應(yīng)力分布情況。在正斷層作用下，豎直方向地應(yīng)力為巖體的自重應(yīng)力，斷層走向與水平最大主應(yīng)力軸平行，與水平最小主應(yīng)力垂直。在斷層帶附近應(yīng)力值變化較大，隨著離斷層面的距離增大，應(yīng)力值變化也趨于緩和。

2)通過(guò)對(duì)不同方案采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得出最大豎向應(yīng)力發(fā)生在礦柱區(qū)域，最大豎向位移位于礦房頂板。應(yīng)力與位移均隨采場(chǎng)寬度增加而變大，隨著采場(chǎng)寬度增加，巖層強(qiáng)度逐漸減弱，且頂板、巷道幫壁塑性區(qū)的范圍增大，圍巖的穩(wěn)定性變差，主要表現(xiàn)為頂板拉伸破壞和礦柱剪切破壞。綜合比較應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布情況，采用方案1采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的穩(wěn)定性較好。

3)研究了寬度的礦房、礦柱尺寸效應(yīng)，得出采用隔2采1方式，可有效提高礦柱支撐能力，且圍巖在礦房回采后和充填后穩(wěn)定性均顯著增強(qiáng)。該成果可為類(lèi)似礦山采場(chǎng)布置提供理論指導(dǎo)。

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Multi software coupling analysis of strip and subsequent filling mining method under complicated geological conditions

REN Honggang1，2，WANG Haijun2，LI Milin3
(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China；3.Jiangjiadun Mining Company Limited，Hubei Yichang Chemical Industry Co.，Ltd.，Yichang 443000，China)

The stope structural parameters，mining and filling sequence selection of gently inclined，medium and thick broken phosphate ore bodies in Yichang area are difficult problems in mining design.In allusion to the trip and subsequent filling mining method under complicated geological conditions in Yichang area，we analyzed the relationship between the fault structure and the principal stress field，and carry out the rock mechanics experiment.Based on the multi software coupled modeling technology，the stress field and stope structure in the mining area under complex conditions are simulated and analyzed.Through the simulation analysis of different strip parameters and mining process，the results show that both the stress and displacement increase approximately linearly with the increase of stope width，while the rock strength decreases gradually，and the rock mass’s failure modes are tensile failure of roof and shear failure of pillar.In addition，the support capacity of pillar can be effectively improved by adopting the mining sequence of the ″two stope panels″，and the stability of surrounding rock is significantly enhanced after stoping and filling.The results can provide theoretical guidance for stope layout of similar mines.

complex condition；fault structure；multi software coupling；stope structure；mining sequence

2017-04-08 責(zé)任編輯：趙奎濤

任紅崗(1986-)，男，博士研究生，工程師，主要從事采礦工程和巖土工程設(shè)計(jì)及研究工作，E-mail：renhonggang_0123@163.com。

TD803

A

1004-4051(2017)08-0104-08