深部急傾斜厚大礦體采場寬度優(yōu)化

羅先偉 韋 軍 高 峰 熊 信 趙元元

（1.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西南丹547205；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083）

對于不穩(wěn)固—中等穩(wěn)固的急傾斜厚大礦體使用上向水平分層充填法回采時(shí)，采場通常垂直于礦體走向布置，此時(shí)采場寬度對于采場穩(wěn)定性和采場生產(chǎn)能力的影響較大。寬度過大容易導(dǎo)致回采過程中頂板跨落，寬度太小采場生產(chǎn)能力低，難以滿足礦山產(chǎn)量需求，因此，合理的采場寬度對于礦山安全高效開采具有重要意義。

對于采場寬度的確定，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，目前常用的方法主要有數(shù)值模擬［1-3］和Mathews穩(wěn)定圖法［4-5］。因此，本研究以高峰礦上向水平分層充填法采場為工程背景，對不同寬度條件下的采場進(jìn)行數(shù)值模擬，并選取采場頂板拉應(yīng)力和下沉位移作為衡量指標(biāo)對不同寬度條件下的采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定出最適宜高峰礦的采場寬度，以保證回采工作的安全與高效。

1 工程概況

高峰礦-250～-200 m水平之間的礦體形狀近似為“啞鈴狀”，距地表深度已經(jīng)達(dá)到1 000 m，在該水平46#～50#勘探線之間的礦體厚度為40～50 m，傾角54°～65°，礦體走向325°～345°，長度沿走向約200 m，屬于急傾斜厚大礦體。工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示該礦段巖體質(zhì)量較差，屬于不穩(wěn)固～中等穩(wěn)固巖體，因此設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填采礦法回采。采場垂直礦體走向布置，長度為礦體厚度，礦房與礦柱寬度相等，中段高度48 m，分層高度4 m，每3個(gè)分層為1個(gè)分段，不留間柱和頂柱，只留底柱?；夭蓵r(shí)沿走向每5個(gè)采場（1#、2#、3#、4#、5#）作為1個(gè)回采單元，采用“隔一采一”的回采方式，即先回采1#、3#、5#采場，回采時(shí)1#采場超前3#采場1個(gè)分段，3#采場超前5#采場1個(gè)分段；待1#、3#、5#采場回采充填結(jié)束后，開始回采 2#和4#采場，回采時(shí)2#采場超前4#采場1個(gè)分段，直到2#和4#采場回采充填結(jié)束。

2 方案設(shè)計(jì)與模型建立

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高峰礦生產(chǎn)實(shí)際和-250～-200 m水平的礦巖穩(wěn)固性，參照類似礦山的開采經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)了3種不同采場寬度，分別為6 m、8 m和10 m，通過觀察不同寬度條件下采場頂板應(yīng)力和位移情況，以確定合理的采場寬度。

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)高峰礦-250～-200 m水平之間的5個(gè)地質(zhì)平面圖，提取出46#～50#勘探線之間的礦體邊界并導(dǎo)入到3DMine使用連接三角網(wǎng)命令生成實(shí)體，然后導(dǎo)出dxf文件到AutoCAD中將線條炸開并保存，最后將dxf文件導(dǎo)入Madis-GTS-NX中生成實(shí)體和劃分網(wǎng)格。根據(jù)彈塑性理論，地下工程開挖僅對距開挖中心點(diǎn)3～5倍跨度范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生影響［6］，因此根據(jù)礦體尺寸計(jì)算得到模型的范圍為X方向-535～+595 m，Y方向-510～+650 m，Z方向-224～+280 m，即模型長×寬×高為1 160 m×1 130 m×504 m，同時(shí)模型中礦體底部標(biāo)高±0 m與實(shí)際礦體的-250 m水平相等。數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

2.3 地應(yīng)力和礦巖力學(xué)參數(shù)確定

為準(zhǔn)確獲得巖體力學(xué)參數(shù)，對高峰礦-250～-200 m水平的巖體和充填體（已充入井下）取芯，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法得到了高峰礦-250～-200 m水平的巖體和充填體物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。

根據(jù)長沙礦山研究院對高峰礦歷次地應(yīng)力測試結(jié)果，進(jìn)行回歸分析后得到了地應(yīng)力與深度之間的關(guān)系［7］為：

?

式中，H為豎直方向深度，m；σx為東西方向主應(yīng)力，MPa；σy為南北方向主應(yīng)力，MPa；σz為垂直應(yīng)力，MPa。其中水平應(yīng)力的施加根據(jù)模型中礦體底部標(biāo)高±0 m與實(shí)際礦體-250 m水平等同及礦山地表標(biāo)高，求出模型中標(biāo)高為±0 m處的σx和σy后，結(jié)合σx和σy隨高程的變化梯度施加到模型前后邊界和左右邊界；垂直應(yīng)力的施加根據(jù)模型中礦體頂部標(biāo)高+280 m與實(shí)際礦體+30 m水平等同及礦山地表標(biāo)高，求出模型頂部的σz施加到模型上表面，并考慮模型自重應(yīng)力。

3 結(jié)果分析

采場回采過程中頂板的破壞形式主要有2種：一是頂板拉應(yīng)力超出礦體極限抗拉強(qiáng)度發(fā)生拉伸破壞；二是頂板下沉位移超出允許范圍（＞50 mm）導(dǎo)致巖體發(fā)生跨落。因此本研究選取采場頂板拉應(yīng)力和下沉位移作為衡量指標(biāo)對不同采場寬度下的采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 采場頂板應(yīng)力分析

圖2為不同采場寬度下頂板拉應(yīng)力隨回采步數(shù)的變化曲線。由圖2可知，一步回采時(shí)，頂板拉應(yīng)力隨開挖步數(shù)的增加而增大，同時(shí)采場寬度10 m時(shí)的頂板拉應(yīng)力相比6 m和8 m時(shí)較大，已接近礦體抗拉強(qiáng)度，頂板容易發(fā)生拉伸破壞而失穩(wěn)，而上向水平分層充填法的所有作業(yè)都在頂板下進(jìn)行，對人員和設(shè)備的安全造成威脅。二步回采時(shí)，隨開挖步數(shù)的增加頂板拉應(yīng)力先增加后降低，原因在于開挖21步時(shí)只有2#采場頂板揭露，到開挖24步時(shí)2#和4#采場頂板同時(shí)揭露，此時(shí)暴露面積首次增大，造成頂板拉應(yīng)力增加，在這之后由于開挖24步的卸荷作用，后續(xù)開挖過程中頂板拉應(yīng)力逐步降低。同時(shí)采場寬度為10 m時(shí)頂板拉應(yīng)力相比6 m和8 m時(shí)降低幅度較小，即采場寬度10 m時(shí)頂板拉應(yīng)力稍低于一步回采時(shí)的最大拉應(yīng)力，而采場寬度6 m和8 m時(shí)的頂板拉應(yīng)力都低于一步回采時(shí)的最大拉應(yīng)力，所以相比6 m和8 m，采場寬度為10 m時(shí)頂板冒落可能性更大，安全風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖3為不同采場寬度下采場頂板拉應(yīng)力云圖，由于云圖數(shù)量較多并且各寬度的云圖特征相似，只展示了采場寬度8 m時(shí)開挖9步（一步回采）和開挖24步（二步回采）時(shí)的采場頂板拉應(yīng)力云圖。由云圖可知，無論采場寬度多少，一步回采時(shí)，采場頂板最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在3#和5#采場頂板，而1#采場無拉應(yīng)力出現(xiàn)；二步回采時(shí)，采場頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在4#采場的頂板，2#采場頂板拉應(yīng)力較??；即無論一步回采還是二步回采，采場頂板最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在滯后開挖的采場頂板中，因此在一步回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)3#和5#采場的頂板管理，二步回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)4#采場頂板的管理。

3.2 采場頂板位移分析

圖4為不同采場寬度下頂板下沉位移隨回采步數(shù)的變化曲線。由圖可知，一步回采時(shí)頂板下沉位移在開挖9步前的增幅大于開挖9步后的增幅，原因在于開挖9步前隨著開挖進(jìn)行，同時(shí)揭露的采場數(shù)目逐漸增多，在開挖9步時(shí)首次達(dá)到最大，開挖9步后同時(shí)揭露的采場數(shù)目不變。開挖9步前隨著開挖進(jìn)行頂板暴露面積逐漸增大，頂板下沉位移增幅較大，開挖9步后頂板暴露面積不變，隨著開挖進(jìn)行頂板下沉位移增幅較小。二步回采時(shí)頂板下沉位移在開挖24步回采前的增幅大于開挖24步后的增幅，原因與一步回采相同，即開挖24步前隨著開挖進(jìn)行暴露面積逐漸增大，頂板下沉位移增幅較大，開挖24步后頂板暴露面積不變，隨著開挖進(jìn)行頂板下沉位移增幅較小。同時(shí)無論開挖進(jìn)行到第幾步，采場寬度越大，頂板下沉位移越大，其中采場寬度6 m、8 m和10 m的頂板最大下沉位移分別為31.4 mm、35.4 mm和40.2 mm，均小于50 mm，根據(jù)地下采場硐室?guī)r體變形與穩(wěn)定性之間的關(guān)系可判斷3種跨度下采場基本可保持穩(wěn)定性。

圖5為不同采場寬度下采場頂板下沉位移云圖，由于云圖數(shù)量較多并且各寬度下的云圖特征相似，只展示了采場寬度8 m時(shí)開挖9步（一步回采）和開挖24步（二步回采）時(shí)的采場頂板下沉位移云圖。由云圖可知，無論采場寬度多少，一步回采時(shí)，采場頂板最大下沉位移出現(xiàn)在3#采場頂板；二步回采時(shí)，采場頂板最大位移出現(xiàn)在2#采場的頂板。因此在一步回采時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注3#采場頂板的下沉位移，二步回采時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注2#采場頂板的下沉位移。

4 結(jié)論

（1）一步回采時(shí)頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在3#和5#采場頂板，二步回采時(shí)頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在4#采場；相比采場寬度6 m和8 m，采場寬度10 m時(shí)的頂板拉應(yīng)力較大，已接近礦體抗拉強(qiáng)度，頂板容易發(fā)生拉伸破壞而失穩(wěn)，所以寬度10 m的采場頂板穩(wěn)定性較差，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

（2）一步回采時(shí)頂板最大下沉位移出現(xiàn)在3#采場，二步回采時(shí)頂板最大下沉位移出現(xiàn)在2#采場；整個(gè)開挖過程中，采場寬度6 m、8 m和10 m頂板最大下沉位移分別31.4 mm、35.4 mm和40.2 mm，均為超出允許范圍（＜50 mm），所以3種采場寬度條件下的頂板基本能保持穩(wěn)定。

（3）頂板最大拉應(yīng)力隨開挖步數(shù)的變化規(guī)律與頂板最大下沉位移的變化規(guī)律不同，一步回采時(shí)頂板最大拉應(yīng)力隨開挖步數(shù)的增加而增大，二步回采時(shí)頂板最大拉應(yīng)力隨開挖步數(shù)的增加先增大后減小，而頂板最大下沉位移無論一步回采還是二步回采均隨開挖步數(shù)的增加而增大。

綜上分析可得高峰礦深部急傾斜厚大礦體的采場寬度可取6 m和8 m，但為了滿足產(chǎn)能要求，寬度越小同時(shí)開挖采場多，不便于生產(chǎn)管理。因此為實(shí)現(xiàn)安全高效開采，最適宜高峰礦深部急傾斜厚大礦體的采場寬度為8 m。

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