貴州某硫鐵礦采場頂板合理跨度優(yōu)化數(shù)值模擬研究

李 東，張明清, 2, 3,郭軍業(yè)，蔣文強(qiáng)，詹子強(qiáng)

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貴州某硫鐵礦采場頂板合理跨度優(yōu)化數(shù)值模擬研究

李 東1，張明清1, 2, 3,郭軍業(yè)1，蔣文強(qiáng)1，詹子強(qiáng)1

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550055)

合理的礦房跨度是保證礦山高效安全生產(chǎn)的重要因素之一。根據(jù)大林硫鐵礦的采場布置情況，選用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件，建立三維數(shù)值模型，結(jié)合礦山實(shí)際施加合理的初始條件和上部地應(yīng)力，分別以16，18，20 m的礦房跨度按照爆破進(jìn)尺和實(shí)際開采順序?qū)ΦV體進(jìn)行模擬開挖，對開挖后的不同應(yīng)力分布規(guī)律以及頂板位移情況進(jìn)行研究分析比較，從而得出較優(yōu)的礦房跨度為18 m，為該礦的開采設(shè)計(jì)和高效安全生產(chǎn)提供了重要 依據(jù)。

礦房跨度；數(shù)值模擬；應(yīng)力分布

長期以來，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化一直是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)，常見的優(yōu)化方法有經(jīng)驗(yàn)公式法[1]、物理模型試驗(yàn)法[2]、數(shù)學(xué)力學(xué)分析 法[3]和數(shù)值模擬分析方法等。但不同的方法適合于不同的礦山和具體的地質(zhì)條件，本文采用數(shù)值模擬的方法對大林硫鐵礦的礦房跨度進(jìn)行優(yōu)化。

礦房跨度是采場結(jié)構(gòu)中非常重要的參數(shù)。通常，礦房跨度越大，頂板巖體中央部位出現(xiàn)的拉應(yīng)力也就越大，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，頂板開始發(fā)生斷裂破壞[4]。確定采寬與留寬(采留比)是條帶開采設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，也是決定地表減沉效果、煤層采出率和礦井經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[5?6]。空場法開采條件下礦房跨度和礦柱尺寸，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、礦石及圍巖硬度、空區(qū)暴露面積等因素綜合確定[7]。因此，開展優(yōu)化礦房跨度數(shù)值模擬研究，對保證礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[8]。

1 工程背景

大林硫鐵礦屬于新建礦山，區(qū)間內(nèi)主要礦體傾角為12°～28°，平均為23°。礦層厚度為0.73～5.60 m，平均2.32 m，礦體形態(tài)簡單、地表不允許陷落。經(jīng)分析比較，該礦山采用條帶空場嗣后廢石、尾砂充填采礦法。該方法具有生產(chǎn)能力大、勞動生產(chǎn)率較高、工藝簡單、采礦成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合開采該礦山。通過采用嗣后廢石、尾砂充填處理采空區(qū)，可保證回采對地表影響。礦塊沿礦體走向連續(xù)布置，由于礦體較緩，礦塊斜長大，設(shè)計(jì)考慮分段開采，控制礦塊斜長60～100 m，分6～9個(gè)分段。沿礦體走向和傾向60～100 m布置礦塊，傾向上方不留頂柱，下方留設(shè)5 m寬連續(xù)底柱，采場高度為礦體厚度，采用“隔一采一”的開采順序?qū)ΦV體進(jìn)行回采[9?10]。由于是新建礦山，又因地質(zhì)條件的特殊性，礦房跨度并不能完全通過經(jīng)驗(yàn)公式確定，因此本文通過Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析以獲得較優(yōu)礦房跨度，在保證安全生產(chǎn)的條件下最大程度提高礦石回采率。該礦的特殊性在于礦體的直接頂板是厚度為0～0.50 m的煤線，間接頂板是泥灰?guī)r，煤塵無爆炸危險(xiǎn)性，自燃傾向性為Ⅲ類(不易自燃)。考慮煤線位于硫鐵礦層上部這一特殊地質(zhì)條件，為避免開采過程中煤層自燃，同時(shí)避免煤層混入硫鐵礦會影響礦石品質(zhì)，對后期礦石加工帶來影響，增加精礦生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)在硫鐵礦層爆破之前，先放炮剝離頂煤再開采下部硫鐵礦，剝離下來的含矸煤炭運(yùn)出地表作為采場充填的材料。導(dǎo)致了留設(shè)礦塊寬度的不確定性，因此有必要對其進(jìn)行研究。

2　數(shù)值模型與模擬分析

根據(jù)礦體埋藏情況可知首采區(qū)位于水平標(biāo)高600 m，處于地表以下210 m左右。根據(jù)礦山提供的地質(zhì)地形圖、鉆孔柱狀圖、鉆井柱狀圖、采礦方法圖等用FLAC3D建立礦體模型。模型的X軸方向?yàn)榈V體傾向方向，Y軸方向?yàn)樽呦蚍较?，Z軸方向?yàn)榈V體垂高方向。依據(jù)采礦方法圖劃分礦塊，礦塊沿礦體的傾向長度為60 m，走向長度即礦房跨度，礦體模型傾角按平均23°建立。根據(jù)工作面所在硫鐵礦巖層柱狀圖，采用逐層分組建模法，從下往上將整個(gè)計(jì)算模型分為7 層，建立三維立體模型。模型長為160 m，寬為100 m，高為60 m，礦體賦存情況如圖1。在圖1中，2號層為硫鐵礦部分，3號層為煤層。

圖1 礦體模型

2.1 本構(gòu)模型選擇

一般情況下巖石均可看做彈塑性介質(zhì)，在一定的應(yīng)力作用下表現(xiàn)為線彈性變化，超過臨界值則表現(xiàn)為塑性變化。對于巖石一類的材料，在塑性變形時(shí)具有明顯的體積變形，因而必須考慮到體積應(yīng)力的影響，故計(jì)算中覆巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾?庫倫準(zhǔn)則，本構(gòu)模型為摩爾?庫侖模型。

2.2 邊界條件設(shè)定

根據(jù)模型建立情況，取地表以下150 m 處為模型邊界頂部，固定模型前后左右及下部邊界，施加在模型頂部的初始垂直應(yīng)力，根據(jù)上覆150 m 厚的巖層平均重量計(jì)算，取值為2.5 MPa，水平自由。

2.3 巖石物理參數(shù)選取

根據(jù)本構(gòu)模型選取，需用參數(shù)有：體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、密度等。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況合理修改，具體參數(shù)詳見表1。

表1 各巖層物理參數(shù)

2.4 礦房跨度模擬分析

在保證安全生產(chǎn)的前提下，礦房跨度可以說越大越好，但往往這個(gè)臨界值難以確定，一般都是取經(jīng)驗(yàn)值或者較小值。本次模擬是在固定其他采場參數(shù)不變，只改變礦房跨度的條件下進(jìn)行開挖模擬。根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)條件，已有的采礦設(shè)計(jì)參數(shù)和采礦方法，再根據(jù)相鄰礦山的采礦現(xiàn)狀，分別對礦房跨度為16，18，20 m進(jìn)行研究分析。針對上述3種礦房跨度，用FLAC3D軟件分別進(jìn)行開挖模擬，對頂板關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測，對開挖后的采場進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析。

2.4.1 應(yīng)力分析

開挖完成后開挖部分采場形成采空區(qū)，通過切片可以得到相應(yīng)的豎向應(yīng)力云圖見圖2。

從圖2可以看出，開挖后礦房頂?shù)装逄幱谛秹籂顟B(tài)，壓應(yīng)力向采空區(qū)兩側(cè)集中。礦房跨度為16 m時(shí)，豎向應(yīng)力的?14.6～0.13 MPa；礦房跨度為18 m時(shí)，豎向應(yīng)力為?15.6～0.08 MPa；礦房跨度為20 m時(shí)，豎向應(yīng)力為?15.2～0.15 MPa。礦房跨度為16 m和18 m時(shí)采場頂板呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，底板局部呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，但遠(yuǎn)小于底板巖石抗拉強(qiáng)度。礦房跨度為20 m時(shí)，礦石回采后頂板兩側(cè)有小面積拉應(yīng)力呈現(xiàn)，底板局部呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。

(a) 跨度為16 m；(b) 跨度為18 m；(c) 跨度為20 m

2.4.2 位移分析

采場分層頂板豎直方向累計(jì)位移如圖3所示。因模型開挖前已消除地應(yīng)力作用下的位移，所以得到的位移曲線為采場開采引起的頂板變形量。

由圖3可知，當(dāng)?shù)V房跨度為16 m時(shí)頂板最大下沉量為18 mm，當(dāng)?shù)V房跨度為18 m時(shí)頂板最大下沉量為22 mm，當(dāng)?shù)V房跨度為20 m時(shí)頂板最大下沉量為24 mm。

(a) 礦房跨度為16 m；(b) 礦房跨度為18 m；(c) 礦房跨度為20 m

參照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》及《公路隧道施工技術(shù)監(jiān)測規(guī)范》所提出的容許極限相對位移判據(jù)：對于埋深50~300 m的Ⅲ級圍巖，跨度12 m＜B≤20 m時(shí)，隧道初期支護(hù)拱頂相對下沉量極限量應(yīng)為0.95%，即拱頂下沉減去隧道整體下沉值與原拱頂至隧道底部之間的距離之比約為0.95%。經(jīng)計(jì)算，隧道頂板允許極限沉降量為29.4 mm。開挖完成后，礦房跨度為20 m時(shí)，該礦房頂板最大下沉量為24 mm，與頂板最大允許下沉值非常接近。根據(jù)采場頂板最大下沉量分析得出，當(dāng)?shù)V房跨度為20 m時(shí)，頂板存在冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

建立大林硫鐵礦三維數(shù)值模型，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，施加合理的初始應(yīng)力條件，對3種不同的礦房跨度進(jìn)行開挖模擬，進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析，得出以下結(jié)論。

(1)礦房回采后，應(yīng)力重新分布，礦房頂?shù)装逄幱谛秹籂顟B(tài)，壓應(yīng)力向采空區(qū)兩側(cè)集中。礦房跨度為20 m時(shí)，圍巖影響范圍明顯增大，應(yīng)力集中較明顯，頂板小面積呈現(xiàn)拉應(yīng)力。

(2) 根據(jù)頂板位移監(jiān)測曲線可知，礦房跨度為20 m時(shí)頂板下沉量較大，對礦石回采存在一定的安全 隱患。

(3) 通過綜合分析，3種不同的礦房跨度中，建議選取礦房跨度為18 m進(jìn)行開采，在頂板煤層較厚時(shí)可以適當(dāng)減小礦房跨度，無煤層的礦段礦房跨度可以適當(dāng)增加。

本次模擬研究是該礦的首采區(qū)，即為淺部采場，并未考慮深部采場的穩(wěn)定性。隨著礦床開采向深部延伸時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以確保高效安全生產(chǎn)。若頂板存在不完整情況，需進(jìn)行管縫式錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，采空區(qū)采用廢石和尾砂進(jìn)行充填。為避免礦房回采結(jié)束后發(fā)生大面積冒落，可視礦體頂板穩(wěn)固程度，在頂板圍巖較為破碎地段增留點(diǎn)柱，采用錨桿控頂，黏土層厚度較大的區(qū)域，可采用錨索支護(hù)。

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(2018?10?12)

李 東(1993—)，男，貴州務(wù)川縣人，主要從事金屬礦山安全開采技術(shù)研究，Email: 1419173650@qq.com。