馬城鐵礦深部階段空場嗣后充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)與開采順序優(yōu)化

向 鵬 楊景華 趙繼忠 馬 旺

（1、北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083 2、城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京100083 3、首鋼灤南馬城礦業(yè)有限公司，河北 唐山063501）

1 概述

隨著淺部資源枯竭,鐵礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移,深部礦體在高應力的情況下開采,采場面臨著高地壓問題,尤其是采用階段空場嗣后充填法開采,在空場大面積暴露條件下,采空區(qū)上覆壓力向礦柱及圍巖轉(zhuǎn)移,形成應力集中,其采場穩(wěn)定性是深部開采需要解決的重要課題。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研究[1-8]。馬城鐵礦礦體埋深超過1100m,賦存地質(zhì)條件復雜,且主要采用階段空場嗣后充填開采,因此深部采場面臨的礦壓安全問題突出,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)。

2 礦山概況

2.1 礦體特征

馬城鐵礦礦脈延升整體呈北北西向,層狀產(chǎn)出,北西或南西傾向,傾角范圍39-56°,總體走向長6km。礦體呈層狀、似層狀、大透鏡體狀產(chǎn)出,全區(qū)劃分的15 個礦體中,規(guī)模最大的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號礦體,走向長:Ⅰ號1750m、Ⅱ號1210m、Ⅴ號2100m,平均厚度:Ⅰ號36.35m、Ⅱ號127.56m、Ⅴ號83.90m。

2.2 工程地質(zhì)概況

馬城礦體頂?shù)装鍑鷰r為黑云變粒巖、角閃變粒巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、含石榴石黑云石英巖、含石榴石閃石巖、綠泥片巖、絹云石英片巖。由于區(qū)域混合巖化作用大多已形成混合巖、黑云(角閃)混合片麻巖、黑云(角閃)混合花崗巖類巖石,原巖大多呈殘留體出現(xiàn)。圍巖與礦體界線大體清楚,少部分呈漸變過渡。

2.3 采礦方法

初步設計確定開采范圍為-240m～-900m, 并劃分為2 個采區(qū), 其中-240m～-540m 為上部采區(qū),-540m～-900m 為下部采區(qū),上、下采區(qū)同時開采,采礦階段高度設計為60m。

開采順序: 兩階段上向同時開采, 即上部采區(qū)首采-540m～-480m 階段, 同時下部采區(qū)首采-900m～-840m 階段,順序均為自下而上進行開采。

采礦方法:階段鑿巖階段空場嗣后充填法、分段鑿巖階段空場嗣后充填法和上向(點柱式)分層充填法,全尾砂充填。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)與開采順序優(yōu)化

3.1 數(shù)值模擬方案

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序?qū)Σ蓤龇€(wěn)定性有重要影響, 選取合適的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序是采場穩(wěn)定和高效安全開采的關鍵。馬城鐵礦III 號礦體-900m 中段選用階段空場嗣后充填采礦法,礦塊垂直礦體走向布置,礦塊階段高度60m,一步采和二步采礦塊尺寸不變,礦塊長度43m,影響采場穩(wěn)定性的主要因素為礦塊寬度。根據(jù)類似礦井開采經(jīng)驗,礦塊回采順序多為“隔一采一”和“隔二采一”,結(jié)合Mathews 穩(wěn)定圖法分析結(jié)果礦塊寬度分別取15m、18m、21m、24m,按著不同的礦塊寬度和開采順序,組合成8 種方案分析,見表1。階段嗣后充填開采時,充填材料被注入礦房后,凝結(jié)成有一定強度的充填體需一段時間,其早期強度一般不高,此時采場頂板主要由礦柱支撐。因此通過分析不同寬度礦房分別采用“隔一采一”和“隔二采一”采完后不充填所引起圍巖及礦柱的應力和位移變化, 系統(tǒng)評價礦房開采對采場穩(wěn)定性的影響,

表1 開采組合方案

3.2 數(shù)值計算模型

采用FLAC3D 數(shù)值分析軟件, 數(shù)值模型以X 軸為水平方向,Y 軸為礦體的走向,Z 軸為礦體的標高,以X、Y、Z 三軸邊界均大于采場3～5 倍為原則,模型網(wǎng)格、礦塊劃分如圖1 所示。

圖1 計算模型及礦體劃分

計算采用理想彈塑性模型, 巖體破壞準則為莫爾- 庫侖屈服準則。模型邊界條件為上表面自由邊界,底部固定水平和垂直位移,兩側(cè)固定水平位移。模型的初始應力場按q=∑λgh 計算,水平應力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)k 計算,側(cè)壓系數(shù)k 的計算公式如下:

式中,μ—泊松比。

3.3 巖體力學參數(shù)

根據(jù)該鐵礦的工程地質(zhì)特征,結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學試驗和巖體質(zhì)量評價綜合選取了巖體物理力學參數(shù),如表2 所示:

表2 巖體物理力學性質(zhì)表

3.4 模擬結(jié)果分析

計算結(jié)果如表3 所示,當?shù)V房“隔一采一”開采時,隨著采場跨度增加,礦柱中最大應力不斷增大,頂?shù)装逦灰埔仓饾u增大,頂?shù)装逯凶畲罄瓚ο仍黾雍蟊３植蛔? 且最大拉應力分布范圍隨著跨度增大不斷增加, 說明頂?shù)装謇炱茐姆秶S著跨度增加不斷變大。當?shù)V房隔二采一開采時,最大應力和礦房頂板最大豎直位移都是隨著礦房寬度的增加而增大, 頂?shù)装遄畲罄瓚ο仍龃筮_到巖體抗拉極限后保持不變。相比“隔一采一”,采用“隔二采一”相當于增加了礦柱的寬度,礦柱寬高比隨之增大,礦柱內(nèi)的應力集中現(xiàn)象減小, 穩(wěn)定性增強。綜上分析可知,15m 和18m 的礦柱寬度要優(yōu)于21m、24m,但15m 礦房寬度尺寸小,對采場后期的穩(wěn)定不利且影響開采效率, 因此采場合理的礦房寬度選為18m,圍巖質(zhì)量較差區(qū)域可優(yōu)先采用“隔二采一”方式開采；當圍巖質(zhì)量較好時,可采用“隔一采一”順序開采。

表3 不同方案產(chǎn)生的擾動值

4 深部開采采場穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述優(yōu)化分析結(jié)果, 對深部采場穩(wěn)定性進行模擬分析,采場結(jié)構(gòu)采幅寬度為18.0m,長約43m,采用“隔一采一”的回采順序。模擬結(jié)果如下:

由圖2 可知一步驟礦房開采后,壓應力在礦柱的兩個外側(cè)壁集中分布,尤其在4 個角隅處,壓應力達到45.1MPa,礦柱頂部、底部壓應力大,中部相對較?。灰徊襟E礦房膠結(jié)體充填后,礦柱所受最大壓應力明顯降低。二步驟礦柱開采后,采場壓應力向兩側(cè)圍巖和充填柱轉(zhuǎn)移,采場右上角和左下角圍巖應力集中增大,最大壓應力達到52.5MPa；二步驟礦柱尾砂充填后,采場最大主應力變?yōu)?2.9MPa,變化不大。

圖3 顯示一步驟礦房開采后,在頂?shù)装灞韺赢a(chǎn)生了一定的剪切和拉伸破壞,礦房充填后,頂?shù)装迤茐挠兴鶞p小,礦柱基本不發(fā)生破壞；礦柱開采后,頂?shù)装迤茐姆秶M一步擴大,以淺表拉破壞為主,主要是由于失去礦柱的支撐,頂?shù)装宕竺娣e懸空,在中部產(chǎn)生拉應力引起。礦柱充填完畢后,破壞范圍有所減小。綜上分析,在深部礦體開采時,采場頂板以局部拉伸破壞為主,整體穩(wěn)定。

圖2 最大主應力演化

圖3 塑性區(qū)演化

5 結(jié)論

通過對馬城鐵礦深部開采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序模擬分析,得到以下結(jié)論:

5.1 隨著采場跨度增大,礦柱最大應力和頂?shù)装逦灰埔仓饾u增大,頂?shù)装遄畲罄瓚ο仍黾雍蟊３植蛔?明頂?shù)装謇炱茐姆秶S著跨度增加不斷變大。

5.2 考慮開采效率綜合選取采場的礦房寬度為18m,圍巖質(zhì)量較弱區(qū)域可優(yōu)先采用“隔二采一”方式開采；當圍巖質(zhì)量較好時,可采用“隔一采一”順序開采。