深井超大面積開采盤區(qū)礦柱承載作用研究

張少杰， 劉育明， 張愛(ài)民

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源日益減少以及采掘設(shè)備的大型化，礦產(chǎn)資源的開采逐漸向深部和大規(guī)模兩個(gè)方向發(fā)展[1-3]。在超大規(guī)模深井開采條件下，常采用留設(shè)礦柱的方法來(lái)確保礦山生產(chǎn)的安全[4-6]。本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)某深井硬巖礦山盤區(qū)礦柱的承載作用進(jìn)行分析研究，這對(duì)礦山安全高效開采具有十分重要的意義，同時(shí)可為類似深井礦山開采條件下的礦柱留設(shè)提供借鑒參考[7-8]。

2 工程背景

某鐵礦屬隱伏盲礦床，礦體埋藏深度404～1 934 m，東西長(zhǎng)1 500 m，南北平均寬度960 m，最大垂直深度1 580 m，礦體平均厚度246.84 m，傾角約70°。礦體主要呈厚層狀產(chǎn)出，總體形態(tài)似一個(gè)巨大的“金元寶”，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖石較完整。

根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)主要采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采。為了保持采礦區(qū)域的整體穩(wěn)定性和考慮采礦工程布置的需要，在盤區(qū)之間沿最大主應(yīng)力方向布置大型條形礦柱，盤區(qū)內(nèi)布置采場(chǎng)，采場(chǎng)尺寸40 m×40 m，高度60 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)條件和開采方案，建立FLAC3D精準(zhǔn)數(shù)值模型。模型X軸沿礦柱走向，長(zhǎng)度為4 800 m；模型Y軸垂直礦柱走向，長(zhǎng)度為4 800 m；模型高為1 620 m(標(biāo)高從-1 620 m至0 m)，如圖1所示。圖2所示為數(shù)值模型的核心部分，即礦體的三維模型，尺寸為1 600 m×1 600 m×1 620 m。-1 020 m中段盤區(qū)與礦柱的布置，如圖3所示。盤區(qū)寬200 m，礦柱寬60 m。為了準(zhǔn)確獲取礦柱中的應(yīng)力狀態(tài)，在礦柱中布置了應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。礦柱中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置平面圖如圖3所示。礦柱中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置立面圖如圖4所示，其中，A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)表示-1 020 m中段礦柱中的應(yīng)力，A1t監(jiān)測(cè)點(diǎn)表示-960 m中段礦柱中的應(yīng)力，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)同樣表示，以作區(qū)分。

圖2 三維模型核心部分

圖3 礦柱中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置平面圖

圖4 礦柱中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置立面圖

3.2 地應(yīng)力特征及邊界條件

根據(jù)礦山水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量研究的數(shù)據(jù)顯示：礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力與鉛直主應(yīng)力的比值均在1.61左右，最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼EE向，平均方向?yàn)?7.83°。礦區(qū)測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的綜合線性回歸方程為

σh,max=0.461 9+0.038 9h,R=0.963 2

(1)

σh,min=0.524 5+0.028 3h,R=0.955 4

(2)

式中：σh,max——最大水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似垂直，MPa；

h——垂直深度，m；

R——回歸系數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力隨深度線性變化，根據(jù)礦體埋藏深度和平均巖體容重計(jì)算，模型上部施加垂直方向應(yīng)力σz=5.6 MPa?？紤]構(gòu)造應(yīng)力的影響，沿模型X軸和Y軸的水平應(yīng)力分別根據(jù)式(1)和式(2)施加。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底部限制垂直移動(dòng)。

3.3 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，考慮到巖體的尺度效應(yīng)，模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)材料力學(xué)特征，分別采用不同的力學(xué)模型：充填體采用理想彈塑性本構(gòu)模型；圍巖和礦體均采用復(fù)合摩爾- 庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，即

(3)

式中：fs——材料發(fā)生破壞的臨界值，MPa；

σ1、σ3——最大和最小主應(yīng)力，MPa；

c——內(nèi)聚力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，MPa。

當(dāng)fs>0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σt(抗拉強(qiáng)度，MPa))判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3.4 計(jì)算模擬過(guò)程

為了揭示在超大規(guī)模深井開采過(guò)程中盤區(qū)礦柱所發(fā)揮的承載作用，對(duì)比分析盤區(qū)礦柱是否留設(shè)兩種工況下采場(chǎng)、礦柱和圍巖的應(yīng)力特征和演化過(guò)程，本計(jì)算分以下步驟進(jìn)行：

(1)計(jì)算模型在給定邊界應(yīng)力與位移條件下的初始狀態(tài)。

(2)工況一：不留設(shè)礦柱3。

①模擬開采-1 020 m中段的礦體。

②模擬開采-960 m中段的礦體。

(3)工況二：留設(shè)礦柱3(寬60 m)。

①模擬開采-1 020 m中段的礦體。

②模擬開采-960 m中段的礦體。

4 計(jì)算結(jié)果分析

-1 020 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(不留設(shè)礦柱3)如圖5所示。從圖中可以看出，-1020 m中段開采后，礦柱2中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2)的應(yīng)力值相對(duì)較高， 99 MPa；礦柱1中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2)的應(yīng)力值為68 MPa；充填體中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1)的應(yīng)力值為9 MPa。-1 020 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(留設(shè)礦柱3)如圖6所示。從圖中可以看出，-1 020 m中段開采后，礦柱2與礦柱3交叉位置(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2)的應(yīng)力值為79 MPa，與不留設(shè)礦柱3相比，礦柱2與礦柱3交叉位置的應(yīng)力降低了20 MPa；礦柱1與礦柱3交叉位置(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2)的應(yīng)力值為53 MPa，與不留設(shè)礦柱3相比，礦柱1中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2)的應(yīng)力降低了15 MPa。

圖5-1 020 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(不留設(shè)礦柱3)

圖6-1 020 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(留設(shè)礦柱3)

-960 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(不留設(shè)礦柱3)如圖7所示。從圖中可以看出，-960 m中段開采后，礦柱2中積聚的應(yīng)力發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)移演化，礦柱2中的應(yīng)力明顯降低，在礦柱2的西側(cè)端部應(yīng)力相對(duì)較高，形成了由下至上的應(yīng)力殼，如圖7中紅色虛線箭頭所示。-960 m中段礦柱2中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2t)的應(yīng)力值為72 MPa，礦柱1中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2t)的應(yīng)力值為70 MPa。-960 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(留設(shè)礦柱3)如圖8所示。從圖中可以看出，-960 m中段開采后，礦柱2與礦柱3交叉位置(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2t)的應(yīng)力值為86 MPa，與不留設(shè)礦柱3相比，應(yīng)力值增加了14 MPa；礦柱1與礦柱3交叉位置(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2t)的應(yīng)力值為58 MPa，與不留設(shè)礦柱3相比，應(yīng)力值降低了12 MPa。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2和C2t、C1和C1t的應(yīng)力輸出后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2的應(yīng)力由99 MPa降低為70 MPa的同期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2t的應(yīng)力由72 MPa增加為86 MPa，增加值為14 MPa，說(shuō)明在不留設(shè)礦柱3工況下，對(duì)于礦柱2來(lái)講，-1 020 m中段的礦柱承載作用降低的情況下，-960 m中段的礦柱仍能發(fā)揮承載作用。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2、B1、A2t的應(yīng)力輸出后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不留設(shè)礦柱3時(shí)，在-1 020 m中段開采后，礦柱2中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2)的應(yīng)力高達(dá)99 MPa；留設(shè)礦柱3時(shí)，在-1 020 m中段開采后，礦柱2中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2)的應(yīng)力為79 MPa，礦柱3中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1)的應(yīng)力為87 MPa，說(shuō)明留設(shè)礦柱3能夠減小礦柱2中的應(yīng)力集中程度，使開采擾動(dòng)壓力的分布相比更為均衡。不留設(shè)礦柱3時(shí)，在-960 m中段開采后，礦柱1中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2t)的應(yīng)力由57 MPa增加至70 MPa，增加值為13 MPa；留設(shè)礦柱3時(shí)，在-960 m中段開采后，礦柱1中(監(jiān)測(cè)點(diǎn)A2t)的應(yīng)力由52 MPa增加至58 MPa，增加值為6 MPa，說(shuō)明留設(shè)礦柱3也能夠減小礦柱1中的應(yīng)力集中程度。

圖7-960 m中段開采后的最大主應(yīng)力場(chǎng)(不留設(shè)礦柱3)

-1 020 m中段開采后的塑性區(qū)分布(不留設(shè)礦柱3)如圖9所示。從圖中可以看出，-1 020 m中段開采后，礦柱2中部分單元進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)；礦柱1中未見(jiàn)有單元進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)。-1 020 m中段開采后的塑性區(qū)分布(留設(shè)礦柱3)如圖10所示。通過(guò)圖9和圖10的對(duì)比可以看出，與不留設(shè)礦柱3相比，礦柱1和礦柱2中的塑性區(qū)并無(wú)明顯區(qū)別。

圖9-1 020 m中段開采后的塑性區(qū)分布(不留設(shè)礦柱3)

圖10-1 020 m中段開采后的塑性區(qū)分布(留設(shè)礦柱3)

-960 m中段開采后的塑性區(qū)分布(不留設(shè)礦柱3)如圖11所示。從圖中可以看出，-960 m中段開采后，礦柱2中部分單元兩次進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)；礦柱1中個(gè)別單元進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)。-960 m中段開采后的塑性區(qū)分布(留設(shè)礦柱3)如圖12所示。通過(guò)圖11和圖12的對(duì)比可以看出，與留不設(shè)礦柱3相比，礦柱2中兩次進(jìn)入剪切塑性區(qū)狀態(tài)的單元數(shù)有所減小。

綜上所述，通過(guò)對(duì)不留設(shè)礦柱3和留設(shè)礦柱3兩種工況開采效應(yīng)的對(duì)比可知，不留設(shè)礦柱3工況下礦柱的應(yīng)力集中程度相對(duì)較高，應(yīng)力變化幅度也相對(duì)較大，而留設(shè)礦柱3工況下，礦柱中的應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，開采擾動(dòng)壓力的分布相對(duì)更為均衡。

圖11-960 m中段開采后的塑性區(qū)分布(不留設(shè)礦柱3)

圖12-960 m中段開采后的塑性區(qū)分布(留設(shè)礦柱3)

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)某超大規(guī)模深井硬巖礦山盤區(qū)礦柱的承載作用進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)不留設(shè)礦柱3工況下，-1 020 m中段開采后，礦柱2中的應(yīng)力值高達(dá)99 MPa；留設(shè)礦柱3工況下，-1 020 m中段開采后，礦柱2與礦柱3交叉位置的應(yīng)力值為79 MPa，相比降低了20 MPa。

(2)-960 m中段開采后，應(yīng)力集中發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)移演化，在礦柱2的西側(cè)端部形成了由下至上的應(yīng)力殼。

(3)在不留設(shè)礦柱3工況下，對(duì)于礦柱2來(lái)講，-1 020 m中段的礦柱承載作用降低的情況下，-960 m中段的礦柱仍能發(fā)揮承載作用。

4)通過(guò)對(duì)不留設(shè)礦柱3和留設(shè)礦柱3兩種工況開采效應(yīng)的對(duì)比可知，不留設(shè)礦柱3工況下礦柱的應(yīng)力集中程度相對(duì)較高，應(yīng)力變化幅度也相對(duì)較大，而留設(shè)礦柱3工況下，礦柱中的應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，開采擾動(dòng)壓力的分布相對(duì)更為均衡。