貴州小壩磷礦采場跨度優(yōu)選

羅云龍

(貴州省地礦局104地質(zhì)大隊)

小壩磷礦礦區(qū)地貌類型屬構(gòu)造剝蝕為主的低中山，地質(zhì)構(gòu)造復雜，但無巨大的構(gòu)造破碎帶通過礦段。礦區(qū)以傾斜中厚礦體為主，礦體頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固性一般，局部較破碎。在前期生產(chǎn)中，由于礦體較破碎，采場穩(wěn)定性不佳，造成大量的礦石損失，回收率僅約60%。為保障回釆安全，上中段與下中段之間預留了大量保安頂柱，造成了大量優(yōu)質(zhì)資源嚴重浪費。為此，采用無間柱連續(xù)分段充填法作為礦區(qū)主要的采礦方法[1-5]。本研究采用FLAC3D軟件，對該礦采場跨度進行優(yōu)選，為實現(xiàn)礦山安全高效開采提供可靠依據(jù)。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)礦體特征構(gòu)建的數(shù)值模型長200 m，100 m(圖1)。本研究數(shù)值模擬主要從礦體走向上進行采場跨度優(yōu)化，當?shù)V體傾角較緩時，采場跨度可取15～25 m，故選擇跨度分別為15，20，25 m 3種情況對礦體開采進行研究。選擇相鄰的3個連續(xù)采場作為1個模擬單元，開采順序均為由兩側(cè)向中間回采，即在采完兩側(cè)的采場并充填后再回采中間采場。模型邊界條件中地應力根據(jù)實際情況近似加載，即豎直方向應力由添加的1.3 MPa應力和自重應力組成，水平方向以側(cè)壓力系數(shù)為1.8添加水平構(gòu)造應力，模型底部為固定邊界。模型物理力學參數(shù)見表1。本研究首先對某一跨度下的采場開挖過程進行分析，了解在開挖過程中采場周邊巖體的力學特征，然后對不同采場跨度的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，進而確定合理的采場跨度。

圖1 采場數(shù)值模型

表1 模型物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 采場開挖過程

當采場跨度為20 m時，分析圖2～圖4可知：

(1)在采場開挖后，采場頂板受拉明顯，頂板中部區(qū)域出現(xiàn)拉應力區(qū)域，但間隔采場之間的相互影響較小，說明由采場兩端向中部開挖對頂板穩(wěn)定性較有利。采場開挖后，兩幫圍巖受壓明顯，尤其當兩側(cè)采場開挖后，中間未開挖的采場礦巖受到明顯的壓應力作用。充填采場后，頂板及兩幫受力條件均得到了改善，應力值有所減小。在頂板與兩幫的連接處，圍巖有明顯的剪應力集中現(xiàn)象，在采場拐角處也有明顯的壓應力集中現(xiàn)象。這2種應力集中現(xiàn)象均與理論分析和采場現(xiàn)場情況相符，故減小應力集中是改善采場安全性的重要途徑。

(2)采場形成后，頂板出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，是由于采場開挖實質(zhì)是1個卸荷過程，這一過程相當于去除了對頂板的支撐，頂板的受力情況由體模型向板模型發(fā)生轉(zhuǎn)變。充填可明顯改善頂板沉降現(xiàn)象，充填可視為開挖的一個逆過程，但在實際情況中，充填體難以提供給頂板足夠的支承力，故頂板已發(fā)生的位移沉降不會改變，充填僅能改善頂板的后續(xù)變形狀況。

(3)采場形成后，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在采場各角落以及頂板處，隨著后續(xù)開挖的進行，采場兩幫和底板也出現(xiàn)了塑性區(qū)，充填后塑性區(qū)并未發(fā)生較明顯的變化。采場不同位置的主要破壞形式各不相同，各角落主要表現(xiàn)為剪切破壞，頂?shù)装鍨槔炱茐?，兩幫巖體既有剪切破壞又有剪切拉伸復合破壞。

圖2 最大主應力變化云圖

圖3 豎向位移變化云圖

圖4 塑性區(qū)變化云圖

2.2 不同采場跨度對比分析

2.2.1 應力分析

分析圖5可知：隨著采場跨度的增大，采場頂板的受拉現(xiàn)象越明顯，15，20，25 m跨度對應的頂板最大拉應力分別為0.19，0.27，0.51 MPa，前兩者均小于頂板圍巖的抗拉強度，后者大于頂板圍巖的抗拉強度，表明采場跨度為25 m時，采場頂板極有可能發(fā)生拉伸破壞。

由圖6可知：采場跨度越大，采場角落的應力集中越明顯，15，20，25 m跨度對應的圍巖最大壓應力分別為6.4，6.7，7.2 MPa，三者均小于圍巖的抗壓強度，不足以造成采場圍巖發(fā)生屈服破壞。

2.2.2 位移分析

由圖7可知：采場跨度的越大，頂板沉降越明顯，底鼓也相應增加，但增幅較小。15，20，25 m跨度對應的頂板沉降值分別為3.04，3.96，5.68 cm。

圖5 最大主應力變化云圖

圖6 最小主應力變化云圖

圖7 豎向位移變化云圖

由于地應力較小，底板的底鼓現(xiàn)象不明顯，在實際工作中可忽略不計。

2.2.3 塑性區(qū)分析

分析圖8可知：隨著采場跨度增大，塑性區(qū)范圍也逐漸增大，采場跨度為25 m時，兩幫巖體中出現(xiàn)了大范圍的剪切破壞區(qū)域，此外，采場頂?shù)装宄霈F(xiàn)了受拉破壞，拐角處出現(xiàn)了剪切破壞。

圖8 塑性區(qū)變化云圖

3 結(jié) 論

(1)小壩磷礦采場頂?shù)装逡资芾炱茐模战菓忻黠@，易發(fā)生剪切破壞，兩幫巖體主要表現(xiàn)為剪切與拉伸共同作用的復合破壞形式。

(2)充填有利于改善采場圍巖受力情況，也有助于減小采場的后續(xù)變形。

(3)綜合考慮采場應力、位移以及塑性區(qū)分布特征，并維持礦山較高的生產(chǎn)能力，最優(yōu)的采場跨度應為20 m。