高峰礦深地中部礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化

莫家貴，胡建華

(1.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 河池 547205； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 430081)

1 前言

高峰礦105號礦體的開采已經(jīng)進(jìn)入深部開采，隨著開采擾動和深地應(yīng)力環(huán)境的影響，深部資源開發(fā)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化[1～2]，從而提高采場回采的效率，保障礦山生產(chǎn)的安全。目前常用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限單元法、邊界元法、半解析解法、離散元法和無界元法等，特別是利用軟件實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究已經(jīng)取得了大量可行的成果，對采場回采順序、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)等獲得具有指導(dǎo)意義[3～7]。胡建華等利用數(shù)值分析對礦山開采順序、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)等開展了大量的優(yōu)化研究，獲得了合理的參數(shù)與回采順序。

因此，利用數(shù)值模擬優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理選擇采場長度的關(guān)鍵控制指標(biāo)，已經(jīng)成為影響高峰礦深地中部礦段采場安全高效開采的關(guān)鍵。

2 工程條件與基本參數(shù)

高峰礦-200m以深礦體為紡錘形結(jié)構(gòu)，兩端厚大，中部中厚礦體結(jié)構(gòu)類型特別是中部主體為緩傾斜中厚礦體，平均厚度為6m，為高效安全開采該礦段礦體，采場寬度為礦體厚度，只需要確定采場長度的優(yōu)化參數(shù)，以保證生產(chǎn)的安全。

礦巖物理力學(xué)參數(shù)是計(jì)算結(jié)果可靠性的主要影響因素，考慮高峰礦的生產(chǎn)和深地條件綜合影響，結(jié)合工程地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量、實(shí)際采礦工程的情況進(jìn)行分析，利用Roclab軟件進(jìn)行巖體物理力學(xué)的參數(shù)折減處理，計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表1。

表1 折減后的開采順序優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)FLAC3d軟件模擬計(jì)算的力學(xué)參數(shù)要求，根據(jù)公式(1)、(2)，利用表1中的彈性模量E(楊氏模量)計(jì)算出礦巖的體積模量與剪切模量。

(1)

(2)

式中：K——體積模量；

E——楊氏模量；

υ——泊松比；

G——剪切模量。

計(jì)算研究范圍涉及的巖體(大理巖、玄武巖、花崗巖)、礦體、廢石膠結(jié)充填體均屬彈塑性材料，適應(yīng)于莫爾- 庫侖破壞準(zhǔn)則，其力學(xué)模型為：

(3)

式中：σ1、σ3——分別是最大和最小主應(yīng)力；

c、Φ——分別是材料內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；

fs——破壞判斷系數(shù)。

當(dāng)fs≥0時(shí)，材料處于塑性流動狀態(tài)；當(dāng)fs≤0時(shí)，材料處于彈性變形階段。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，材料將發(fā)生拉伸破壞。

礦體處于緩傾斜狀態(tài)，埋深在1 000m水平上下。根據(jù)高峰礦歷次地應(yīng)力測量的結(jié)果，進(jìn)行回歸分析后，得出地應(yīng)力與深度H之間的關(guān)系，如公式(4)所示，按快速應(yīng)力邊界法施加初始應(yīng)力：

(4)

3 模型構(gòu)建與計(jì)算

3.1 模型構(gòu)建

通過實(shí)地調(diào)查，結(jié)合收集的礦體及工程地質(zhì)資料等，利用礦業(yè)工程軟件3Dmine建立礦體、地表、地層等三維數(shù)字模型，由MIDAS/GTS- FLAC轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)值模型的構(gòu)建，控制采場單元尺寸為1m，圍巖的單元尺寸為40m，得到的三維網(wǎng)格模型如圖1。

圖1 計(jì)算三維網(wǎng)格整體及其采場網(wǎng)格模型圖

采用位移約束的邊界條件，由于采動范圍有限，在離采場較遠(yuǎn)處的巖體位移值很小，可將邊界模型處位移視為0。即模型的左右(X方向)邊界、前后(Y方向)邊界和底邊界均施加位移約束條件，上邊界(Z方向)為自由邊界。

3.2 計(jì)算方案

根據(jù)中部礦體的情況，采場的寬度選取礦體的實(shí)際厚度6～7m，數(shù)值模擬主要是確定采場的長度，結(jié)合礦山常見的采場長度，設(shè)計(jì)采用5種方案。方案一：采場長度為18m；方案二：采場長度為20m；方案三：采場長度為22m；方案四：采場長度為24m；方案五：采場長度為26m。

3.3 計(jì)算云圖

對采場開采的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算主要獲取采場的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)特征參數(shù)，計(jì)算獲得部分應(yīng)力、位移和塑性區(qū)云圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算的應(yīng)力及位移和塑性區(qū)云圖

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

在采場寬度方向采場1和采場3的剖斷面最大主應(yīng)力分布圖中，從方案一到方案五的采場周邊均出現(xiàn)不同范圍的受拉區(qū)，主要位于上盤頂板和下盤底板，在礦塊開采過程中，需要加強(qiáng)上盤頂板的監(jiān)測，進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)。同樣由于采場的回采，致使采場下盤底板的應(yīng)力釋放，下盤也會出現(xiàn)一定的底鼓現(xiàn)象，但造成的影響不大?？偟膩碚f隨著采場寬度的變化，采場的拉應(yīng)力有逐步增大的趨勢。5種方案中，采場1的最大拉應(yīng)力分別為0.82、 0.91、1.24、4.39、4.95MPa；采場3最大拉應(yīng)力分別為0.965、0.98、3.13、4.39、4.37MPa，如圖3。采場1和采場3同時(shí)開采時(shí)，采場1和采場3的最大拉應(yīng)力分別在22m和20m處有一個(gè)明顯的增大，拉應(yīng)力也大于礦體的抗拉強(qiáng)度。在最小主應(yīng)力分布圖中，在采場寬度方向采場1和采場3，5種方案的最大的壓應(yīng)力分別為70.6、54.4、56.8、69.5、55.6MPa和57.9、56.9、59.6、62.5、63.9MPa。整體上，方案二的結(jié)構(gòu)參數(shù)較為有利，比較好地控制了采場頂板的拉應(yīng)力。同時(shí)，建議開采時(shí)不采用全中段一次性開采，采用分段或者分層開采的方式進(jìn)行回采。

圖3 不同方案中的采場1和采場3應(yīng)力分布曲線圖

4.2 位移分析

在位移等值線分布圖中，從方案一到方案五，其中采場1最大位移為1.90、2.46、2.71、2.92、2.62cm；采場3最大位移為2.15、2.41、2.65、2.82、3.08cm。5種方案隨著采場長度的增加，采場頂板的最大垂直位移是逐漸變大的趨勢，雖然采場1在方案五處折線有一個(gè)下降的趨勢，但不影響總體趨勢，見圖4。

圖4 5種方案最大垂直位移折線圖

4.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)主要反應(yīng)采場開采受力發(fā)生塑性破壞狀況，由計(jì)算結(jié)果可知采場在上盤和下盤均出現(xiàn)了大面積貫通的壓剪塑性破壞，并隨著采場長度的增加，塑性區(qū)體積也逐漸增加。5種方案中塑性區(qū)體積分別為174.26、192.81、210.71、223.17、234.36m3，如圖5。

由圖5可知，采場的頂?shù)装搴瓦厧拖鄬τ诓蓤龅纳舷卤P沒有出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，故開采過程中應(yīng)更加關(guān)注上下盤的穩(wěn)定性問題，在開采過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖5 5種方案最終塑性區(qū)體積圖

5 結(jié)論

(1)綜合應(yīng)力響應(yīng)、采場位移和塑性區(qū)等多種因素，建議采用方案二的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場的長度為20m，寬度為礦體的實(shí)際厚度。

(2)開采過程中由于礦體在階段內(nèi)開采擾動強(qiáng)度大，需要進(jìn)行分段或分層開采，提高礦山開采的安全穩(wěn)定性。

(3)支護(hù)主要對礦體的上下盤進(jìn)行預(yù)先處理，提高開采后的采場穩(wěn)定性。