龍頭山礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及地壓控制數(shù)值模擬研究

吳雅菡，童 雄，張明天，侯克鵬，李耀楠，苗雨心

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省金屬礦尾礦資源二次利用工程研究中心，昆明 650093；3.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，昆明 650093；4.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，昆明 650093)

世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，使得地球淺部礦物資源逐漸枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部，同時人類生存發(fā)展需求和對未知世界的探索也不斷拓展著地下活動空間，深部或極深部巖體力學(xué)是未來人類活動走向地球深部必須面對的永恒的課題[1-2]。開采深部巖體時，受開挖擾動、地壓以及地下水等因素的影響，其應(yīng)力環(huán)境與工程地質(zhì)條件淺部相較更復(fù)雜，使得控制頂板穩(wěn)定性的任務(wù)更加艱難，開采難度越來越大、生產(chǎn)成本也急劇提高[3-5]。頂板控制是影響采場地壓管理的關(guān)鍵因素之一，研究表明，礦體開采過程中，礦巖體的結(jié)構(gòu)影響其穩(wěn)定性，礦巖體的穩(wěn)定性又影響著采場的穩(wěn)定性，而歸根結(jié)底采場穩(wěn)定對礦山開采安全以及經(jīng)濟效益的影響至關(guān)重要[6-8]。因此深入分析采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究方法具有重要意義[9-10]。

數(shù)值模擬目前在礦山得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者做了大量研究，并且在實際生產(chǎn)應(yīng)用中也取得了良好效果[11-15]。

針對龍頭山礦段礦體直接頂板以鋁土質(zhì)黏土巖及灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r為主，直接頂板穩(wěn)定性較差，對礦體開采影響較大。資料顯示，開采此類礦體，地壓控制為關(guān)鍵問題。為此，在研究龍頭山礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及地壓控制時，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別從空場條件與切頂條件下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬研究與分析，提出合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取和地壓控制措施。

1 礦體賦存條件

礦體主要為向斜構(gòu)造，大部分為碳酸鹽巖層所覆蓋，形成起伏不大的巖溶丘陵地形。最高峰為龍頭山，標(biāo)高1 585.8 m，最低標(biāo)高1 273.6 m，比高312.2 m。地勢由北往南逐漸低下，降雨補給面積北迄中寨，南至高石坎，東抵龍頭山，西止五臺山一帶，無大的地表水流。

礦區(qū)出露地層從老至新有寒武系高臺組(∈2g)；下石炭系大塘組(C1d，原九架爐組)、擺佐組(C1b，原黃龍灰?guī)r)；下二疊系梁山組(P1L，原銅礦溪層)、棲霞組(P1q，原陽新灰?guī)r)、茅口組(P1m)。龍頭山礦段礦體呈層狀產(chǎn)出，地表平均出露標(biāo)高1 400 m，最低控制標(biāo)高1 180 m。礦體沿傾向連續(xù)，向北東側(cè)伏。礦體傾向280°～305°，平均傾角35°，礦體走向長1 500 m，平均厚3.5 m左右。整體看，龍頭山礦段礦體屬于傾斜薄—中厚礦體。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬分析

2.1 模型構(gòu)建

本次模型的建立采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行。

在進行充分的現(xiàn)場調(diào)查、資料收集以及業(yè)主提供的龍頭山礦段平、剖面圖的基礎(chǔ)上，建立數(shù)值計算模型。巖土工程問題十分復(fù)雜，數(shù)值模擬計算不可能考慮到所有因素。因此，在模型的構(gòu)建上作了一定簡化。首先建立立體計算模型：礦體傾向方向為模型x方向，長度1 400 m；礦體走向方向為模型y方向，長度2 500 m；豎直方向為模型z方向，模型底部標(biāo)高1 000 m，建模范圍北至71#勘探線，南至88#勘探線，模型共計365 864個單元和392 940個節(jié)點。計算模型圖及礦體形態(tài)圖見圖1和圖2。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

圖2 礦體形態(tài)Fig.2 Ore body shape

2.2 邊界約束

計算域邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用x、y、z三個方向約束，模型x方向的兩端采用x方向約束，模型y方向的兩端采用y方向約束。模型頂部為自由邊界。

2.3 計算所采用力學(xué)參數(shù)

龍頭山礦段由于工程揭露較少，鋁土礦礦石直接頂?shù)装邃X土頁巖、間接頂板灰白色白云巖均選擇在5#采場電耙聯(lián)道及穿脈取樣，間接底板紅褐色白云巖在1300運輸主巷高壓硐室取樣。為了在計算過程中選取合理的計算參數(shù)，參數(shù)的選擇主要根據(jù)巖石力學(xué)試驗研究成果進行選取，以此確定了該礦段礦巖的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.4 礦段礦體分類

在礦石和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)中，礦石和圍巖的穩(wěn)固性是關(guān)鍵因素，它決定采場地壓控制方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和主要回采工藝過程。

該礦段礦體的分類主要根據(jù)礦體的產(chǎn)狀進行，具體做法是：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及搜集到的地質(zhì)剖面圖，以一個中段為單元，量測礦體厚度和傾角，礦體厚度量取3個點，取其平均值，量測傾角的方法是：礦體底板線分別與上中段和本中段線交點之間連線與水平面的夾角。量測結(jié)果見表2(剖面78#～85#)。

表2 礦體厚度和傾角量測結(jié)果表Table 2 Measurement results table of orebody thickness and dip angle

3 空場條件下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

3.1 計算方案

根據(jù)龍頭山礦段實際情況，采用12種方案對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，具體見表3。

表3 空場條件下各方案采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方案表Table 3 Calculation scheme table of stope structure parameters of various schemes under empty field conditions /m

3.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果主要從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)方面進行分析。為了分析不同礦體厚度和傾角對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，模擬過程中選取了三個代表性的剖面，分別是：78#剖面，礦體厚度3～5 m，平均傾角29°，開采最低中段1210中段；80#剖面，礦體厚度5～10 m，平均傾角34°，開采最低中段1210中段；85#剖面，礦體厚度小于3 m，平均傾角42°，開采最低中段1300中段。計算結(jié)果見表4～7，部分模擬結(jié)果見圖3～18，表中，“+”—拉應(yīng)力，“-”—壓應(yīng)力。

表4 各方案最大主應(yīng)力計算結(jié)果表Table 4 Calculation results table of the maximum principal stress using each scheme /MPa

從表4可以看出，礦體開采后，受開挖擾動影響，應(yīng)力場發(fā)生了變化。在原始狀態(tài)下，模型最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值較小，為0.087 MPa。方案1應(yīng)力變化最大，模型整體和三個剖面均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，數(shù)值較大，均超過了巖體的抗拉強度，巖體將發(fā)生破壞，方案12應(yīng)力變化最小，主要以壓應(yīng)力為主。說明隨著頂?shù)字?、間柱尺寸的增大和礦房尺寸的減小，圍巖越穩(wěn)定，但隨之帶來的問題是礦石損失增大。

從表5可以看出，各方案在最小主應(yīng)力方面變化不大，均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，模型整體：方案7拉應(yīng)力最大，方案12拉應(yīng)力最小；78#剖面：方案10拉應(yīng)力最大，方案12拉應(yīng)力最??；80#剖面和85#剖面：方案1拉應(yīng)力最大，方案12拉應(yīng)力最小。

表5 各方案最小主應(yīng)力計算結(jié)果表Table 5 Calculation results table of the minimum principal stress using each scheme /MPa

從表6和7可以看出，在原始狀態(tài)下，模型產(chǎn)生了位移，最大位移量達54.17 cm，位移方向主要是豎直向下，產(chǎn)生原因主要是在給模型施加自重應(yīng)力場，整個模型相當(dāng)于一壓實過程，自下而上位移量越來越大。模型達到原始平衡后，在進行礦體開挖時，將位移清零。從整體位移方面看，方案1整體位移最大，方案12整體位移最小。說明隨著頂?shù)字?、間柱尺寸的增大和礦房尺寸的減小，圍巖位移量減小。在礦房尺寸相同的情況下，為了控制圍巖位移量，增大間柱尺寸較增大頂?shù)字叽缧Ч?。位移量隨著礦體厚度降低和礦體傾角增大而減小。

表6 各方案整體位移計算結(jié)果表Table 6 Calculation results table of overall displacement using each scheme /cm

表7 各方案Z方向位移計算結(jié)果表Table 7 Calculation results table of Z-direction displacement using each scheme /cm

圖3～18是在12個模擬方案中選取的具有代表性的模擬結(jié)果，可以看出，山體塑性區(qū)面積較大，龍頭山段中北部(71#勘探線～81#勘探線)塑性區(qū)面積最大，說明在只留頂?shù)字烷g柱的情況下實現(xiàn)空場采礦，頂板可能大規(guī)模冒落，發(fā)生沖擊地壓，影響生產(chǎn)安全。因此，完全空場采礦可行性較小。從選取的三個剖面來看，85#剖面礦體厚度最小，開采中段較少，當(dāng)間柱尺寸達到10 m或頂?shù)字叽邕_到8 m或礦房尺寸小于45 m時，山體塑性區(qū)面積減少，圍巖穩(wěn)定性提高。其余兩個剖面由于礦體較厚，加之開采中段較多，無論增大頂?shù)字烷g柱尺寸或降低礦房尺寸，塑性區(qū)面積均較大，圍巖穩(wěn)定性較差，必須對采空區(qū)進行處理。

圖3 整體塑性區(qū)圖(原始狀態(tài))Fig.3 Overall plastic zone(original state)

圖4 78#剖面塑性區(qū)圖(原始狀態(tài))Fig.4 78# section plastic zone(original state)

圖5 80#剖面塑性區(qū)圖(原始狀態(tài))Fig.5 80# section plastic zone(original state)

圖6 85#剖面塑性區(qū)圖(原始狀態(tài))Fig.6 85# section plastic zone(original state)

圖7 整體塑性區(qū)圖(方案1)Fig.7 Overall plastic zone(scheme 1)

圖8 78#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.8 78# section plastic area(scheme 1)

圖9 80#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.9 Plastic zone of 80# section(scheme 1)

圖10 85#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.10 85# section plastic area(scheme 1)

圖11 整體塑性區(qū)圖(方案7)Fig.11 Overall plastic zone(scheme 7)

圖12 78#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.12 78# section plastic area(scheme 7)

圖13 80#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.13 Plastic zone of 80# section(scheme 7)

圖14 85#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.14 85# section plastic area(scheme 7)

圖15 整體塑性區(qū)圖(方案12)Fig.15 Overall plastic zone(scheme 12)

圖16 78#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.16 78# section plastic area(scheme 12)

圖17 80#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.17 Plastic zone of 80# section(scheme 12)

圖18 85#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.18 85# section plastic area(scheme 12)

4 切頂條件下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

4.1 計算方案

根據(jù)龍頭山礦段實際情況，切頂條件下采用12種方案對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，見表8。

表8 切頂條件下各方案采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方案表Table 8 Calculation scheme table of stope structure parameters of various schemes under roof cutting /m

4.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果主要從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)方面進行分析。為了分析不同礦體厚度和傾角對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，選取了三個代表性的剖面，分別是：85#剖面，礦體厚度小于3 m，平均傾角42°，開采最低中段1300中段；78#剖面，礦體厚度3～5 m，平均傾角29°，開采最低中段1210中段；80#剖面，礦體厚度5～10 m，平均傾角34°，開采最低中段1210中段。計算結(jié)果見表9～12，部分模擬結(jié)果圖見圖19～30。

圖19 整體塑性區(qū)圖(方案1)Fig.19 Overall plastic zone(scheme 1)

圖20 78#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.20 78# section plastic area(scheme 1)

圖21 80#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.21 Plastic zone of 80# section(scheme 1)

圖22 85#剖面塑性區(qū)圖(方案1)Fig.22 85# section plastic area(scheme 1)

圖23 整體塑性區(qū)圖(方案7)Fig.23 Overall plastic zone(scheme 7)

圖24 78#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.24 78# section plastic area(scheme 7)

圖25 80#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.25 Plastic zone of 80# section(scheme 7)

圖26 85#剖面塑性區(qū)圖(方案7)Fig.26 85# section plastic area(scheme 7)

圖27 整體塑性區(qū)圖(方案12)Fig.27 Overall plastic zone(scheme 12)

圖28 78#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.28 78# section plastic area(scheme 12)

圖29 80#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.29 Plastic zone of 80# section(scheme 12)

圖30 85#剖面塑性區(qū)圖(方案12)Fig.30 Plastic zone of 85# section(scheme 12)

表9 各方案最大主應(yīng)力計算結(jié)果表Table 9 Calculation results table of the maximum principal stress using each scheme /MPa

從表9可以看出，切頂后采空區(qū)體積增大，應(yīng)力進一步釋放，所計算12個方案模型整體均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且數(shù)值較大(1.115～2.012 MPa)。圍巖穩(wěn)定性較差。

從表10可以看出，切頂后采空區(qū)體積增大，應(yīng)力進一步釋放，各方案均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值增大，圍巖穩(wěn)定性降低。

表10 各方案最小主應(yīng)力計算結(jié)果表Table 10 Calculation results table of the minimum principal stress using each scheme /MPa

從表11和表12可以看出，切頂后采空區(qū)體積增大，圍巖位移量隨之增大。從85#剖面計算結(jié)果看出，當(dāng)?shù)V房尺寸小于45 m時，間接頂板位移量小于直接頂板位移量。切頂后能有效擴大采場跨度。

表11 各方案整體位移計算結(jié)果表Table 11 Calculation table of overall displacement using each scheme /cm

表12 各方案Z方向位移計算結(jié)果表Table 12 Calculation result table of Z-direction displacement using each scheme /cm

從圖19～30可以看出，切頂后采空區(qū)體積增大，塑性區(qū)面積增大。從85#剖面計算結(jié)果來看(采厚小于10 m)，當(dāng)?shù)V房尺寸為15 m時，間接頂板塑性區(qū)面積較少，穩(wěn)定性較好。由此說明，當(dāng)采厚小于10 m時，間接頂板跨度可達15 m。

5 地壓控制措施研究

通過上述研究，認為龍頭山礦段在空場條件下(只留頂?shù)字烷g柱、不留點柱、不對采空區(qū)進行處理)開采，安全隱患較大，頂板容易發(fā)生冒落，形成沖擊地壓。因此，考慮先空場，嗣后采用廢石充填采空區(qū)，模擬采場結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：頂?shù)字? m、間柱5 m、礦房45 m，不切頂。計算結(jié)果見表13和圖31～34。

圖31 整體塑性區(qū)圖(充填條件下)Fig.31 Overall plastic zone(under filling condition)

圖32 78#剖面塑性區(qū)圖(充填條件下)Fig.32 78# section plastic area(under filling condition)

圖33 80#剖面塑性區(qū)圖(充填條件下)Fig.33 Plastic zone of 80# section(under filling condition)

表13 模擬采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果表Table 13 Calculation results table of simulated stope structure parameters

從表13可以看出，采空區(qū)充填以后，和空場條件相比，圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到改善，位移量大幅度降低，從516.68降至29.04 cm。充填能有效控制地壓，防止沖擊地壓的產(chǎn)生。

從圖31～34可以看出，采空區(qū)充填以后，塑性區(qū)面積大大降低，圍巖穩(wěn)定性提高。結(jié)合3D-σ研究成果，在實際生產(chǎn)過程中，可以采用點柱、錨桿控頂和充填采空區(qū)對地壓進行控制。

6 結(jié)論

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對龍頭山礦段采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和地壓控制措施進行了模擬計算，主要結(jié)論如下：

1)圍巖穩(wěn)定性隨著頂?shù)字?、間柱尺寸的增大和礦房尺寸的減小而提高。

2)圍巖穩(wěn)定性隨著礦體厚度的減小和礦體傾角的增大而提高。

3)當(dāng)采厚小于10 m，間接頂板跨度可以達到15 m。

4)龍頭山礦段在空場條件下(只留頂?shù)字烷g柱、不留點柱、不對采空區(qū)進行處理)實現(xiàn)安全采礦可行性小。

5)可以采用預(yù)留點柱、錨桿護頂和充填采區(qū)等措施控制地壓。