復(fù)雜環(huán)境下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與自適應(yīng)表征分析

張紀(jì)偉，胡建華，亓中華，任啟帆

(1.山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限責(zé)任公司，山東 沂源 256119； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 前言

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是采動(dòng)后的次生應(yīng)力場(chǎng)變化及其礦山結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定性的重要影響因素之一[1～3]，不同的地質(zhì)條件、采礦工藝和采礦方法下具有不同的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[4～6]。因此，需針對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境，對(duì)采場(chǎng)回采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)定量分析和計(jì)算在回采過(guò)程中采場(chǎng)周邊圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力及塑性區(qū)的動(dòng)態(tài)變化情況以及破壞模式，從而保障地下采礦作業(yè)的安全性，保障采場(chǎng)穩(wěn)定性，做到安全生產(chǎn)，并最大限度地降低礦石損失、貧化率和開(kāi)采成本，提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益[7～8]。但由于合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素十分復(fù)雜，很難用一個(gè)確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述它們之間的關(guān)系，從而使用傳統(tǒng)的方法解決采場(chǎng)參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題存在一定的困難[9]。

3DMine- Midas- Flac3D耦合建模數(shù)值模擬技術(shù)可以考慮多種巖體介質(zhì)[10～11]，且能較好地模擬實(shí)際采礦過(guò)程中的采、充填等過(guò)程，極大程度上擬合實(shí)際開(kāi)采過(guò)程，是目前較為有效的研究方法之一[12～13]。在井下采礦工程的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究中，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究這些領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題不可或缺的輔助工具。

2 礦山概況

臥虎山礦床賦存在雁翎關(guān)組頂部含鐵片巖中，由多個(gè)帶狀礦層組成，帶狀礦層呈NW～SE向展布，總體走向330°，傾向SW，傾角23°～68°，平均48°，長(zhǎng)1 400m，厚度一般21～50m，平均32m，屬于典型的傾斜中厚礦體。

采用預(yù)控頂上向分段落礦嗣后充填采礦法，礦房垂直礦體走向布置，階段高度60m，分4個(gè)分段回采，礦房跨度12.5m，高度15m，長(zhǎng)度為礦體厚度，在每個(gè)礦房頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)，即預(yù)控頂，預(yù)控頂高度3m。每100m設(shè)置礦房間柱，間柱寬度12m，礦房不留頂?shù)字?，礦房和礦柱交替布置，礦房回采結(jié)束后間柱采用上向高分層預(yù)控頂充填采礦法回采，采礦方法見(jiàn)圖1。CS- 100D高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)施工下向平行孔，1m3電鏟和2m3油鏟出礦， 礦房回采完成后進(jìn)行充填。

圖1 采礦方法圖

3 模型構(gòu)建與方案設(shè)計(jì)

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)礦山實(shí)際情況，選擇比較有代表意義的29線(xiàn)附近礦體為研究對(duì)象，建立礦體和圍巖的三維數(shù)值模型。所建三維實(shí)體模型如圖2a所示，模型尺寸為：長(zhǎng)度800m，寬500m，豎直高度到地表。礦體為27～31線(xiàn)之間實(shí)際礦體模型，根據(jù)圣維南原理，模型對(duì)所研究采場(chǎng)開(kāi)挖的影響符合實(shí)際。對(duì)所建立實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，生成三維網(wǎng)格如圖2b所示。依據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)和Hoek- Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定礦巖巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.2 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬設(shè)計(jì)了5個(gè)采場(chǎng)，如圖2b所示：一步驟模擬回采采場(chǎng)2和采場(chǎng)4；二步驟模擬回采采場(chǎng)1、3、5。模擬15種方案下一步驟回采完畢后空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力、位移及塑性區(qū)變化情況，以此選擇最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在不改變現(xiàn)有采礦方法的前提下，為了減少礦石損失率和保持采場(chǎng)的穩(wěn)定性，提出10、12.5、15、17.5、20m的采場(chǎng)跨度和10、12.5、15m分段高度共15種方案，見(jiàn)表2。

表1 臥虎山礦巖巖體力學(xué)參數(shù)

表2 方案設(shè)計(jì)表

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

各方案模擬均采用自重應(yīng)力達(dá)到初始應(yīng)力平衡，一步驟回采完畢后，通過(guò)輸出采場(chǎng)不同跨度和高度下15種方案的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化情況分析，進(jìn)而選擇最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 方案一沿傾向主應(yīng)力圖

圖3是方案一沿傾向一步驟回采兩個(gè)礦房后采場(chǎng)周邊圍巖沿傾向的應(yīng)力云圖，圖4為方案一和方案二一步驟回采后采場(chǎng)頂?shù)装逦灰圃茍D，圖5是15種方案頂板最大拉應(yīng)力和礦柱最大壓應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果(各方案的位移均小于20mm，影響較小，不做統(tǒng)計(jì))，選取采場(chǎng)頂?shù)装寮爸虚g礦柱作為分析的關(guān)鍵部位，將關(guān)鍵部位中的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力作為分析不同方案下采場(chǎng)穩(wěn)定性狀況的指標(biāo)。

圖4 沿傾向豎向位移圖

圖5 數(shù)值模擬采場(chǎng)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖

表3為15種方案下一步驟回采結(jié)束留下的2個(gè)采空區(qū)中間礦柱的塑性區(qū)域云圖。

4.2 結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，礦體開(kāi)挖后，采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拉應(yīng)力集中，采空區(qū)頂板及上覆巖層自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩幫的礦柱中，造成圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域，特別是在兩個(gè)采空區(qū)之間留下的間柱之間。采場(chǎng)空區(qū)的頂板出現(xiàn)下沉，底板出現(xiàn)上鼓，最大值均在頂板或底板中央位置附近。在采場(chǎng)高度一定時(shí)，隨著跨度的增加，頂?shù)装逦灰苹境手饾u增大的趨勢(shì)，跨度為20m時(shí)位移最大。但位移整體較小，小于20mm，由巖體開(kāi)挖容許極限位移量判據(jù)可知，各方案位移對(duì)工程穩(wěn)定性影響較小。

表3沿傾向塑性區(qū)云圖

從圖5中可以看出，隨著高度的增加，采場(chǎng)頂?shù)装謇瓚?yīng)力值整體呈減小的趨勢(shì)。方案五和方案十的拉應(yīng)力值都達(dá)到了圍巖抗拉強(qiáng)度值的70%，當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，巖體可能失穩(wěn)。方案一至方案十中，方案七的拉應(yīng)力相對(duì)于其他方案明顯偏小，方案十一至方案十五較前10種方案偏小。最大壓應(yīng)力值整體變化不大，在13.17～14.73MPa之間，都超過(guò)了巖體抗壓強(qiáng)度的70%，雖然沒(méi)有超過(guò)峰值強(qiáng)度，但可能達(dá)到臨界失穩(wěn)破壞。

由表3的塑性區(qū)發(fā)展情況可知，采空區(qū)周邊圍巖經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)后，局部位置圍巖的彈性變形超過(guò)了巖體的彈性極限，在圍巖中形成塑性變形區(qū)，出現(xiàn)受最大壓應(yīng)力或最大拉應(yīng)力的部位。當(dāng)采場(chǎng)高度一定時(shí)，隨著跨度的增加，塑性區(qū)域范圍逐漸增加，特別是跨度達(dá)到15m及以上時(shí)，塑性區(qū)域明顯，在采場(chǎng)2、4開(kāi)挖后的間柱之間，塑性區(qū)連成片，間柱下部基本貫通，最后形成一個(gè)連通的屈服區(qū)域。而當(dāng)跨度為10m和12.5m時(shí)，塑性區(qū)很少或者零星狀，甚至沒(méi)有塑性區(qū)出現(xiàn)。綜合塑性區(qū)分析認(rèn)為，方案三、四、五、八、九、十、十三、十四、十五的塑性區(qū)貫通連接成片，開(kāi)挖后的圍巖不能自穩(wěn)。方案一、二、六、七、十一、十二開(kāi)挖后塑性區(qū)少，沒(méi)有相互貫通的趨勢(shì)，圍巖穩(wěn)定性最好。

綜合各因素，初步確定方案七(即采場(chǎng)跨度12.5m，高度12.5m)和方案十二(即采場(chǎng)跨度12.5m，高度15m)兩種方案的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)。

4.3 自適應(yīng)表征分析

一步驟回采完畢后，方案七和方案十二參數(shù)最優(yōu)，進(jìn)一步分析充填后的二步驟回采，數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案十二雖然在方案七的基礎(chǔ)上增加了采場(chǎng)高度，提高了礦石產(chǎn)量，但方案十二比方案七增加了2.5m采場(chǎng)高度后，爆破和礦巖邊界控制難度增加，爆破大塊度增多，礦石損失貧化率增加。為分析合理的優(yōu)化參數(shù)，并通過(guò)參數(shù)自適應(yīng)地下礦山生產(chǎn)優(yōu)化，對(duì)不同參數(shù)下的采場(chǎng)生產(chǎn)工藝自適應(yīng)表征分析。

(1)方案十二進(jìn)一步擴(kuò)大了礦山采場(chǎng)回采高度，在跨度一定的條件下，進(jìn)一步加大采場(chǎng)的生產(chǎn)能力。但對(duì)于既有老礦山而言，高度的增加在工藝上增加了新的成本，自適應(yīng)性降低，主要表現(xiàn)為需要增加鑿巖設(shè)備的投入，提高鑿巖設(shè)備鉆鑿深度和效率；改變上行開(kāi)采的階段高度，重新設(shè)計(jì)開(kāi)拓系統(tǒng)；充填系統(tǒng)及其充填體強(qiáng)度需要進(jìn)一步得到強(qiáng)化，減少多次分層的離析效應(yīng)。在局部不影響礦山整體開(kāi)拓系統(tǒng)的條件下，可運(yùn)用局部、邊部的采場(chǎng)提高采礦生產(chǎn)強(qiáng)度，增加采場(chǎng)參數(shù)對(duì)礦巖體的自適應(yīng)性。

(2)方案七局部效應(yīng)要劣于方案十二，但整體上對(duì)礦山巖體力學(xué)特性和工藝參數(shù)具有更好的自適應(yīng)性，是適合礦山當(dāng)前條件下的高效回采工藝參數(shù)，表現(xiàn)在不需要對(duì)階段參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以直接減少一個(gè)分層，提高礦山整體的經(jīng)濟(jì)效益；增加了2.5m的鑿巖厚度，仍處于礦山鑿巖設(shè)備有效的鑿巖深度區(qū)間；同時(shí)增加了礦山采場(chǎng)跨度和高度，提高采場(chǎng)的生產(chǎn)能力。二步驟回采對(duì)充填體要求更高，來(lái)保證充填后的安全穩(wěn)定性，由于增加的高度值有限，由數(shù)值分析結(jié)果可知，在當(dāng)前的充填配比下具有穩(wěn)定性要求。

綜合考慮，選擇方案七的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場(chǎng)跨度12.5m、高度12.5m、預(yù)控頂3.5m為最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，但在礦巖穩(wěn)固的條件下，可以適當(dāng)增加跨度，建議不要超過(guò)15m，進(jìn)行實(shí)際工程實(shí)踐指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于3DMine- Midas- Flac3D耦合建模數(shù)值模擬技術(shù)和自適應(yīng)表征分析，獲得了臥虎山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，方案七為最佳采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場(chǎng)長(zhǎng)30m、跨度12.5m、高度12.5m、預(yù)控頂高度3.5m，具有更高的自適應(yīng)性。方案十二采場(chǎng)高度15m，可以在不影響開(kāi)拓系統(tǒng)的條件下采用。