深部復(fù)雜難采礦體崩落法開采地壓數(shù)值模擬分析

王佳寶，劉海濤

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000）

1 深部復(fù)雜難采礦體開采中存在的問題

1.1 地壓災(zāi)害問題

由于這一部分的礦體深部結(jié)構(gòu)與地壓復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行開采的過程中采場(chǎng)與該周邊區(qū)域的地壓會(huì)隨著開采深度的增加而發(fā)生強(qiáng)烈的變化，并在地壓強(qiáng)烈變化的過程中出現(xiàn)局部性的或者是區(qū)域性的地壓災(zāi)害，這樣一來不僅會(huì)對(duì)巖層難以控制，還會(huì)為采空區(qū)的后續(xù)處理增加一定的難度，甚至還會(huì)對(duì)工程的操作人員與地表的建筑物帶來一定的安全隱患。

1.2 開采方法問題

由于這一類的礦體與其他礦體開采相比存在著一定的特殊性，在進(jìn)行礦體的實(shí)際開采中受到的限制因素較多，導(dǎo)致相關(guān)的工程企業(yè)對(duì)開采的方法與技術(shù)進(jìn)行選擇時(shí)，也存在著一定的局限性，無法有效的提高開采效率，提高相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。

1.3 造成對(duì)地質(zhì)與周邊自然環(huán)境的破壞

在對(duì)礦體進(jìn)行開采的過程中，由于開采量較大，經(jīng)常會(huì)造成該區(qū)域出現(xiàn)采空區(qū)，如果不能采用科學(xué)有效的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)的充填該區(qū)域的地表出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，甚至還會(huì)對(duì)其周邊的山體造成一定的威脅，使相關(guān)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全面臨一定的危險(xiǎn)。

2 分析背景

本文主要以某地區(qū)的深部復(fù)雜難采的礦體為背景，對(duì)其通過崩落法進(jìn)行開采時(shí)的地壓數(shù)值進(jìn)行模擬分析。該主礦體的巖石層結(jié)構(gòu)有大理巖，在該礦體與灰?guī)r的接觸帶上，巖石的穩(wěn)定性較低，局部出現(xiàn)松散現(xiàn)象。在該礦體的底部主要分布著四種巖石，并且都屬于硬質(zhì)巖，所以穩(wěn)定性較強(qiáng)，總體來說該區(qū)域的主礦體在工程地質(zhì)條件的分類中屬于中等類型。

3 深部復(fù)雜難采礦體崩落法開采地壓數(shù)值模擬分析

3.1 建立計(jì)算數(shù)值模擬的模型

根據(jù)崩落法開采礦體的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境與礦體情況進(jìn)行基礎(chǔ)建模，并對(duì)模擬數(shù)值展開研究，用來充分模擬礦山開采時(shí)，礦體的頂部巖層、倒轉(zhuǎn)位置在開采的整個(gè)過程中所受到的影響，見圖。

圖1 數(shù)值模擬模型

3.2 模擬方案實(shí)施

（1）設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)。為了使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡的狀態(tài)，依據(jù)自重應(yīng)力場(chǎng)為主，對(duì)所建立的數(shù)值模型設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)。

（2）構(gòu)建開采模型。該區(qū)域?qū)ΦV體進(jìn)行實(shí)際開采時(shí)，選用的開采方式為無底柱分段崩落法，分層高度為12.4m，以及12.4m的進(jìn)路間距，依據(jù)這一結(jié)構(gòu)參數(shù)，在確定了數(shù)值模擬方案的基礎(chǔ)上構(gòu)建無底柱分段崩落法開采模型。

（3）對(duì)倒轉(zhuǎn)部位未被覆蓋層覆蓋的最大安全暴露面積進(jìn)行模擬計(jì)算。以確定該區(qū)域廣體開采時(shí)，可暴露面積的最大安全值。

（4）對(duì)礦巖體與倒轉(zhuǎn)部位的穩(wěn)定性在不同回采順序中的數(shù)值進(jìn)行模擬。依據(jù)對(duì)深部復(fù)雜難采礦體的開采方式與開采順序?qū)我硗七M(jìn)回采方案的數(shù)值進(jìn)行模擬。

3.3 地壓數(shù)值的模擬結(jié)果分析

通過對(duì)模型的構(gòu)建以及對(duì)兩種不同方案數(shù)據(jù)的計(jì)算，各方案的最大、最小應(yīng)力與圍巖位移都清晰可見（初期和后期最大主應(yīng)力見圖2，圖3）。

圖2 初期回采最大主應(yīng)力

3.4 數(shù)值模擬分析結(jié)論

（1）通過對(duì)采用無底柱分段崩落的方法進(jìn)行礦體的開采時(shí)上覆巖層與倒轉(zhuǎn)部位的地壓分布和穩(wěn)定性的模擬數(shù)值進(jìn)行分析表明，對(duì)深部復(fù)雜難采礦體實(shí)施沿走向單翼推進(jìn)進(jìn)行回采可以對(duì)地壓進(jìn)行有力的控制。

（2）通過對(duì)倒轉(zhuǎn)部位暴露面積的安全數(shù)值進(jìn)行模擬，再結(jié)合塑性區(qū)判據(jù)及收斂性判據(jù)，在倒轉(zhuǎn)部位進(jìn)行礦體開采使用礦體崩落法可有效將最大安全面積控制在合理的范圍內(nèi)。

圖3 后期回采最大主應(yīng)力

（3）通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在采用單翼回采方式進(jìn)行礦體的開采時(shí)，地壓在走向的中央位置逐漸卸壓，在上盤礦巖交界處應(yīng)力最為集中，施工處的位置到礦體深部后，地壓逐漸增大，而且在局部區(qū)域上盤覆巖層處在塑性屈服狀態(tài)，倒轉(zhuǎn)部位冒落的幾率增大。

（4）建議在對(duì)深部復(fù)雜難采礦體進(jìn)行開采時(shí)，采用單翼推進(jìn)回采的方式，同時(shí)在開采的過程中，對(duì)深部礦體的工程穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)上述模擬數(shù)據(jù)的分析，相關(guān)采礦企業(yè)在進(jìn)行礦體開采時(shí)，可以更具實(shí)際的地形地勢(shì)以及礦體深部的結(jié)構(gòu)，合理采用崩落法進(jìn)行礦體的開采，以確保采礦的質(zhì)量與效率，以促進(jìn)企業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展。