某緩傾斜鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與開采順序優(yōu)化研究①

鄒 平， 賀 超， 李愛兵， 孟中華， 王飛飛

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙410012； 3.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京100053）

目前，我國開采緩傾斜中厚和厚大礦體主要采用房柱法（約占50%）、底盤漏斗采礦法（約占35%），少部分采用膠結(jié)和尾砂充填采礦法以及淺孔留礦法［1-2］。 合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序?qū)Σ蓤龅姆€(wěn)定性和礦石回收率起著至關(guān)重要的作用。 對于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序，已有學者開展了相關(guān)研究［3-9］。某鐵礦位于廣東省境內(nèi)，為緩傾斜厚大礦體，以貧礦為主，經(jīng)過近年不規(guī)范開采，留下了不規(guī)則的礦柱和大小不等的采空區(qū)，部分采場地壓活動明顯，影響到了礦山的正常生產(chǎn)。 因此，急需對其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序進行優(yōu)化研究，防止大面積地壓活動出現(xiàn)，保證礦山安全生產(chǎn)。

1 礦山概況

1.1 礦體特征

礦體走向大致呈東西向，向南東傾伏，傾角較緩10°～20°，與地層產(chǎn)狀基本一致。 按南、中、北依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體，且三個礦體是連續(xù)分布的。

Ⅰ號礦體：平面形態(tài)呈燒餅狀，剖面上呈似層狀、透鏡狀，東西長800 ～1 000 m，南北寬500 ～970 m，礦體厚度一般8～20 m，最厚55.95 m，平均18.06 m。 礦體賦存標高100～450 m，埋藏深度125 ～330 m。 地表無出露，屬全隱蔽型礦體。 以貧礦為主，富礦較少且厚度較?。?～10 m）。

Ⅱ號礦體：呈北西～南東，長750 m，寬300 m，礦體較薄，厚度一般在3～8 m 之間，局部超過10 m（13.9 m），平均厚度6.28 m。 下部為I 號礦體，離I 號礦體頂板一般10～20 m，最大49 m。

Ⅲ號礦體：平面形態(tài)呈狹長方形，東西水平長1 300 m，南北寬200～300 m。 礦體厚度較大的20～30 m，其余則在2.06～8.47 m 之間，平均厚度6.10 m。

為滿足對礦產(chǎn)資源的需求，將Ⅰ、Ⅱ號礦體進行合并，礦體最大厚度為87 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦體頂板主要為矽卡巖，厚度為2 ～20 m，巖石結(jié)構(gòu)致密，性質(zhì)堅硬。 往上為角巖或變質(zhì)粉砂巖，巖石的硬度較大。 在礦區(qū)西南部某些地層接觸界面附近，節(jié)理和裂隙發(fā)育，形成層間破碎帶，厚度一般為10～20 m，最大40 m。

礦體底板主要為角巖或石英巖，少量的矽卡巖，巖石結(jié)構(gòu)致密，性質(zhì)堅硬。

1.3 采礦方法

采用淺孔留礦法開采：采場高度18 ～22 m，寬度12～16 m；沿近東西方向留寬為6 m 的連續(xù)礦柱，每隔8 m 開6 m × 5 m 的出礦短穿，形成8 m × 6 m 的條形點柱。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)初步優(yōu)化

2.1 布置方式

經(jīng)研究確定，礦房、礦柱的布置形式擬采用“棋盤”格式，即首先在整個礦區(qū)沿礦體走向和傾向布置幾條較大規(guī)格的盤區(qū)礦柱，然后在盤區(qū)內(nèi)沿走向方向布置小礦柱。

具體的盤區(qū)、礦房和礦柱布置方式為（如圖1 所示）：

1） 在南、中部礦體分界處留設(shè)一條沿傾向布置的盤區(qū)礦柱（NB3），以此盤區(qū)礦柱為中心，沿傾向向南、中部共布置5 條南、中部礦體的盤區(qū)礦柱（NB1～NB5）。

圖1 盤區(qū)礦柱布置及盤區(qū)編號簡圖

2.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

2.2.1 計算方法

采用Bieniawski 推薦的礦柱強度設(shè)計公式計算該鐵礦盤區(qū)礦柱與盤區(qū)內(nèi)小礦柱安全系數(shù)［10-12］，從而確定最優(yōu)的礦房跨度和礦柱寬度：

式中σc為礦柱單軸抗壓強度，按南、中部的礦石單軸抗壓強度選取，分別為57.43 MPa、60 MPa；WP為礦柱寬度； WO為礦房寬度；h 為礦柱高度，即為礦體厚度，從留設(shè)礦柱所穿過的勘探剖面上量取；γ 為上覆巖層平均容重，統(tǒng)一取3.0 t／m3；H 為開采深度，從留設(shè)礦柱所穿過的勘探剖面上量取。

2） 在目前開采的東部邊界處留設(shè)一條沿走向的盤區(qū)礦柱（XD2），以此盤區(qū)礦柱為中心，向西、東共布置3 條盤區(qū)礦柱（XD1～XD3）。

3） 中、北部礦體之間未連接部分全部留設(shè)為盤區(qū)礦柱。

4） 共劃分21 個盤區(qū)，其中1 ～9 盤區(qū)屬于南部礦體，10～15 盤區(qū)屬于中部礦體，16 ～21 盤區(qū)屬于北部礦體。

5） 在盤區(qū)內(nèi)沿走向布置礦房和小礦柱，分允許放頂與不允許放頂兩種情況進行盤區(qū)內(nèi)礦房和小礦柱尺寸的比較和確定。

2.2.2 盤區(qū)礦柱安全系數(shù)計算

沿傾向的盤區(qū)礦柱擬定了4 種方案：

方案A：礦房跨度100 m，礦柱寬度30 m；

方案B：礦房跨度100 m，礦柱寬度35 m；

方案C：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度35 m，中部礦柱寬度30 m；

方案D：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中部礦柱寬度35 m。

沿走向的盤區(qū)礦柱擬定1 種方案：礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m。

經(jīng)計算可知：方案A 中盤區(qū)礦柱NB3 ～NB5 不滿足安全系數(shù)要求；方案C 中盤區(qū)礦柱NB1 ～NB4 均不滿足安全系數(shù)要求；方案B 與方案D 都能滿足安全系數(shù)的要求，但方案B 中所留的礦柱多于方案D，從減小礦產(chǎn)資源損失、有利于最大可能回收資源的角度出發(fā)，推薦方案D。

2.2.3 盤區(qū)內(nèi)小礦柱安全系數(shù)計算

根據(jù)上述確定的盤區(qū)礦柱尺寸，將整個南、中部礦體劃分為15 個盤區(qū)（如圖1 所示）。 計算時盤區(qū)內(nèi)按統(tǒng)一埋深和礦柱高度計算，根據(jù)經(jīng)過盤區(qū)的剖面中量取，由礦柱穩(wěn)定性因素正交極差分析知，礦體埋深對安全系數(shù)的影響最大，取礦體埋深最大的剖面進行計算。經(jīng)計算可知：

1） 對于南部礦體盤區(qū)，礦房跨度在12 ～14 m 之間時，留取7～9 m 的礦柱即可維持采場的安全。

2） 對于中部礦體盤區(qū)，礦房跨度在12 ～14 m 之間時，留取5～7 m 的礦柱即可維持采場的安全。

3.5.4環(huán)境控制溫度：出雛后2天33～35攝氏度，以后每周下降3攝氏度，到21攝氏度保持不變。濕度：1～2周保持60%～70%，以后保持在55%～60%。通風：根據(jù)當?shù)貧夂蜃⒁饧訌娡L，但要保證環(huán)境溫度與濕度正常。光照：采用長時間光照制度，1～3天23小時光照、光照強度20勒克斯，以后每天18～20小時光照、光照強度5勒克斯。

3） 南部礦體地表不允許放頂，必須保證空場頂板不冒落，推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房跨度12 m，礦柱寬度8 m。

4） 中部礦體不允許放頂時，推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房跨度14 m，礦柱寬度8 m；允許放頂時，推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房跨度14 m，礦柱寬度6 m。

5） 在礦體變厚大處，礦柱的尺寸在原有推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)之上，可適當增加2～4 m。

3 三維數(shù)值模擬

3.1 三維數(shù)值模型

采用MIDAS／GTS 數(shù)值分析軟件對該鐵礦的開采現(xiàn)狀和下部采礦過程進行模擬分析，其中下步開采根據(jù)上節(jié)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化推薦的參數(shù)進行建模（分析模型如圖2 所示）：①沿傾向的盤區(qū)礦柱：礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中、北部礦柱寬度35 m；②沿走向的盤區(qū)礦柱：礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m；③盤區(qū)內(nèi)沿走向布置采場，南部礦房12 m，中、北部礦房14 m，礦柱均為8 m。 其中Ⅲ號礦體在模擬過程中僅模擬4 個盤區(qū)的開采。

圖2 礦體數(shù)值分析網(wǎng)格化模型

模型范圍：x ＝-1 800～1 500 m（共3 300 m，為礦區(qū)的WE 方向）；y ＝-2 600～2 800 m（共5 400 m，為礦區(qū)的SN 方向）；z＝-300 m 至地表。

3.2 巖體力學參數(shù)

根據(jù)該鐵礦的工程地質(zhì)特征，計算中考慮了8 種力學介質(zhì)，即泥巖、砂巖、矽卡巖、花崗巖、礦體南、礦體中、礦體北和第四系。 在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學試驗和巖體質(zhì)量評價的基礎(chǔ)之上綜合選取了巖體物理力學參數(shù)，如表1 所示。

表1 巖體物理力學參數(shù)

3.3 最優(yōu)回采順序的模擬模型

該鐵礦目前僅開采I 號礦體的西北角，總體規(guī)劃為從西向東推進。 本次模擬分析礦山開采穩(wěn)定性現(xiàn)狀，并在確定的下步開采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，確定下步開采最優(yōu)回采順序。 針對Ⅰ和Ⅱ號礦體，建立M1、M2、M3 三個模型分別模擬分析從南往北、從北往南和從中間（從南、中隔離礦柱開始）到兩邊的開采順序，各模型的具體模擬步驟如表2 所示。

表2 模型模擬計算步驟及簡要說明

4 模擬結(jié)果分析

4.1 空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

第2 模擬步驟模擬現(xiàn)有空區(qū)的開挖，形成了面積較大的采空區(qū)，空區(qū)周圍礦巖體產(chǎn)生了應力重分布。在采空區(qū)的頂板普遍產(chǎn)生了拉應力（如圖3 所示，圖中正值為拉應力，負值為壓應力），拉應力值一般在0.4～1.7 MPa 之間，最大拉應力值為3.469 MPa，已經(jīng)超過中部礦體的抗拉強度（2.2 MPa），導致巖體破壞。留存礦柱中普遍產(chǎn)生了壓應力集中，尤其出礦口周邊集中程度較大，應力集中程度達2 ～3 倍。 采空區(qū)的頂板下沉，最大為1.018 cm，礦柱底部向上隆起，最大達1.173 cm。

圖3 第2 步驟375 m 水平最大主應力等值線圖

圖4 第2 步驟375 m 水平塑性應變云圖

4.2 下步開采計算結(jié)果分析

第3 步驟開始模擬下步開采情況，M1 ～M3 模型分別模擬了不同的開采順序，目的是通過比較分析，找出最優(yōu)開采順序。

4.2.1 應力分析

各模型模擬最大與最小主應力的最大值及其發(fā)生位置如表3 所示。 從各盤區(qū)里選取最小主應力值最小的模型相互比較，所占的盤區(qū)數(shù)量最多的模型，則該模型開采順序最優(yōu)，比較結(jié)果如表4 所示。 從表4 可知，從頂板的拉應力值來看，最優(yōu)開采順序的模型為M1＞M3＞M2；從礦柱的拉應力值來看，最優(yōu)開采順序的模型為M2＞M3＞M1。

表3 模擬結(jié)果最大值及其發(fā)生位置

表4 最小主應力、最大沉降量的最小值所占盤區(qū)數(shù)量

在采場周邊礦柱的一些角點產(chǎn)生了壓應力集中，其最大拉應力出現(xiàn)在M2 模型的2 盤區(qū)內(nèi)礦柱的頂端處（如圖5 所示），其值為-20.3688 MPa，超過了南部礦體的抗壓強度（16.52 MPa），出現(xiàn)壓應力破壞區(qū)。

圖5 M2 模型2 盤區(qū)最大與最小主應力等值線圖

4.2.2 位移分析

各模型模擬位移值最大值及其發(fā)生位置如表3 所示。 采場開采后，各模型大體的位移變化趨勢為頂板向下沉降，底板向上少量的底鼓；一般最大位移發(fā)生在礦柱頂端接近采空區(qū)頂板處；盤區(qū)大礦柱的存在，從沉降位移等值線分布來看，在其上產(chǎn)生的沉降位移等值線為近水平方向，說明盤區(qū)大礦柱的存在對控制頂板沉降起到了較為關(guān)鍵的作用。

頂板最大下沉位移發(fā)生在M1 模型的5 盤區(qū)處，其值為-19.17 mm；礦柱最大下沉位移發(fā)生在M1 模型的5 盤區(qū)處，其值為-18.54 mm，如圖6 所示。

圖6 M1 模型第8 模擬步驟沉降位移等值線圖

各模型各盤區(qū)的位移值相差也不大，尤其是Ⅲ號礦體的16～19 盤區(qū)的位移值也都一樣，這也說明在盤區(qū)大礦柱的隔離作用下，各盤區(qū)之間的相互影響較小。盤區(qū)礦柱起到了很好的保護作用，盤區(qū)礦柱尺寸留取得也較為合理。

礦柱位移較大的盤區(qū)為2、4、5、6、8、9、10、13盤區(qū)。

從各盤區(qū)里沉降量值最小的模型相互比較，所占的盤區(qū)數(shù)量最多的模型，則該模型的開采順序最優(yōu)，如表4 所示。 從表4 可知，從頂板的沉降量值來看，最優(yōu)開采順序的模型為M2＞M3＞M1；從礦柱的沉降量值來看，最優(yōu)開采順序的模型為M2＞M1 ＝M3。

4.2.3 塑性區(qū)分析

模型的塑性區(qū)主要發(fā)生在盤區(qū)內(nèi)的小礦柱處（如圖7 所示），且多發(fā)生于礦體邊界處。 共有5 個盤區(qū)產(chǎn)生了塑性區(qū)，即2、4、5、6、13 盤區(qū)。 其中以2 盤區(qū)的塑性區(qū)范圍最大（如圖8 所示）；2、4 盤區(qū)的塑性區(qū)發(fā)生于礦柱中心，擴展到頂、底部位；5 盤區(qū)的塑性區(qū)發(fā)生于礦柱中心頂部；6 盤區(qū)的塑性區(qū)發(fā)生于礦柱頂部與圍巖交界處；13 盤區(qū)的塑性區(qū)發(fā)生于礦柱底部與圍巖交界處。 由此可見，礦體南部的穩(wěn)定性較差，可將礦體南部與13 盤區(qū)的礦柱尺寸進行調(diào)整。

圖7 M1 模型整體礦柱塑性應變云圖

圖8 M1 模型2 盤區(qū)礦柱塑性應變云圖

盤區(qū)之間的大礦柱未產(chǎn)生塑形區(qū)，說明留取的盤區(qū)礦柱尺寸較為合理。

除產(chǎn)生塑性區(qū)的幾個盤區(qū)外，其余礦柱應變較大的盤區(qū)為8、9、10 盤區(qū)。

5 結(jié) 論

1） 針對該鐵礦緩傾斜厚大礦體，設(shè)計了“棋盤”方式的礦房、礦柱布置形式，即首先在整個礦區(qū)沿礦體走向和傾向分別布置幾條較大規(guī)格的盤區(qū)礦柱，然后在盤區(qū)內(nèi)沿走向方向布置礦房和小礦柱，這樣有利于地壓控制、通風、礦柱回收和保護地面的建（構(gòu)）筑物等。

2） 各盤區(qū)之間在盤區(qū)大礦柱的隔離作用下，相互之間的影響較小，可以有效避免“多米諾”方式的大面積地壓災害的發(fā)生。

3） 由應力、位移、塑性區(qū)以及各種其它因素可知，M2 模型模擬的開采順序最優(yōu)，即由北向南開采為最優(yōu)的開采順序，其次為從中間到兩邊開采。

4） 根據(jù)礦柱強度設(shè)計公式和三維數(shù)值模擬分析綜合確定的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：沿傾向的盤區(qū)礦房跨度120 m，南部礦柱寬度40 m，中、北部礦柱寬度35 m；沿走向的盤區(qū)礦房跨度200 m，礦柱寬度40 m；盤區(qū)內(nèi)沿走向布置采場，南部礦房12 m，礦柱9 m，中、北部礦房14 m，礦柱8 m；如果允許放頂時，中部可以調(diào)整為礦房跨度14 m，礦柱寬度6 m；在礦體厚大處，礦柱尺寸在原有推薦參數(shù)的基礎(chǔ)之上可適當增加1～2 m。