弓長(zhǎng)嶺鐵礦上下含鐵帶開(kāi)采穩(wěn)定性研究

田迎春,范文錄,馬 東,謝盛青,宮國(guó)慧,陳小偉,李宗武,王懷勇,胡世超,傅利民(.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)嶺有限公司,遼寧 遼陽(yáng)007;.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京00038)

1 前言

弓長(zhǎng)嶺鐵礦位于遼寧省遼陽(yáng)市弓長(zhǎng)嶺區(qū)蘇家街道,北距沈陽(yáng)70 km,西北距遼陽(yáng)市39 km,礦區(qū)交通十分便利。弓長(zhǎng)嶺鐵礦目前采用采礦方法主要為無(wú)底柱分段崩落法,為解決礦山面臨的采礦損失率和貧化率大等問(wèn)題,研究采用充填法開(kāi)采,開(kāi)采示意圖如圖1所示。

圖1 弓長(zhǎng)嶺充填法開(kāi)采示意圖

弓長(zhǎng)嶺鐵礦自西向東被劃分為三個(gè)區(qū)段,西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)。中央?yún)^(qū)分為上含鐵帶采區(qū)和下含鐵帶采區(qū),上下含鐵帶間隔最近接近10 m,上鐵帶平均厚度為15 m,下鐵帶平均厚度為10 m,鐵礦層總體走向120° ～160°,北東傾,平均傾角70°。根據(jù)類(lèi)似礦山生產(chǎn)條件,設(shè)計(jì)上鐵帶采場(chǎng)跨度為20 m,下鐵帶采場(chǎng)跨度為25 m。由于上下鐵礦層間隔距離較近,下鐵帶礦體開(kāi)采必然對(duì)上鐵帶的巖層及充填體產(chǎn)生影響,難以確保中間隔離巖柱及充填體的穩(wěn)定性,因此需通過(guò)數(shù)值分析進(jìn)一步予以驗(yàn)證[1]。

研究采用有限差分程序FLAC3D5.0[2]建立弓長(zhǎng)嶺鐵礦上下鐵帶開(kāi)采模型,對(duì)給定的設(shè)計(jì)采場(chǎng)參數(shù)下的礦體分別進(jìn)行不充填開(kāi)采及充填開(kāi)采穩(wěn)定性分析研究,驗(yàn)證上下鐵礦層開(kāi)采穩(wěn)定性,為礦山安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模型

數(shù)值分析的可靠性在一定程度上取決于所建立的計(jì)算模型,包括計(jì)算模型的真實(shí)度、應(yīng)力條件、巖體力學(xué)參數(shù)及其破壞準(zhǔn)則等[3]。

2.1 初始地應(yīng)力

根據(jù)《弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦地應(yīng)力測(cè)量研究報(bào)告》應(yīng)力數(shù)據(jù)成果,弓長(zhǎng)嶺礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布具有以下規(guī)律:各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力近水平方向;5 個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力值是自重應(yīng)力的1.6 ～2 倍,說(shuō)明井下鐵礦地應(yīng)力場(chǎng)是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的;垂直應(yīng)力值基本上等于或微大于上覆巖層的重量,與自重應(yīng)力的比值為0.98 ～ 1.02。最大水平主應(yīng)力(σhmax)、最小水平主應(yīng)力(σhmin)和垂直主應(yīng)力(σv)均隨深度(H)呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)的關(guān)系,線(xiàn)性回歸方程為

式中:H——埋深,m。

2.2 本構(gòu)模型

巖體開(kāi)挖后,圍巖內(nèi)發(fā)生應(yīng)力重分布,周邊附近是應(yīng)力集中帶。假定圍巖呈彈塑性變形,可用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論建立其屈服條件為

式中:δr、δθ——圍巖發(fā)生屈服破壞時(shí)的徑向、切向應(yīng)力;

Cm、φm——巖體的黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角。

2.3 礦巖力學(xué)參數(shù)

弓長(zhǎng)嶺鐵礦礦巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 弓長(zhǎng)嶺鐵礦礦巖力學(xué)參數(shù)

2.4 數(shù)值模型

根據(jù)弓長(zhǎng)嶺鐵礦礦體特征,通過(guò)建立兩條礦帶模型,模擬兩條礦帶先后開(kāi)采的應(yīng)力變化情況。模型當(dāng)中,礦體傾角均設(shè)為70°,開(kāi)挖過(guò)程為先開(kāi)采上礦帶,采場(chǎng)開(kāi)采后充填,之后對(duì)下礦帶進(jìn)行開(kāi)采,并充填,采場(chǎng)跨度為25 m。為便于結(jié)果對(duì)照分析,同時(shí)進(jìn)行上下礦帶開(kāi)采后不充填模擬,并與充填開(kāi)采過(guò)程所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 整體模型和礦體模型

3 結(jié)果分析

3.1 不充填計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖3a 最大主應(yīng)力結(jié)果,若開(kāi)采過(guò)程中不充填,最大主應(yīng)力達(dá)到42 MPa 以上,巖體所受壓應(yīng)力過(guò)大則容易產(chǎn)生剪切破壞;圖3b 所示為最小主應(yīng)力結(jié)果,最小主應(yīng)力超過(guò)部分巖體的抗壓強(qiáng)度,且達(dá)到0.9 MPa 以上,由于巖體在受拉時(shí),極易發(fā)生受拉破壞,因此不充填開(kāi)采,采場(chǎng)明顯無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

圖3 上下鐵帶開(kāi)采最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4a 所示為垂直位移計(jì)算結(jié)果,圖4b 所示為塑性區(qū)分布結(jié)果。從圖中可看出,垂直位移大幅增加,上盤(pán)巖體的垂直位移達(dá)到84 mm,且隨著采場(chǎng)逐步開(kāi)采,垂直位移呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì);從塑性區(qū)分布來(lái)看,采場(chǎng)不充填,上下盤(pán)圍巖塑性區(qū)分布擴(kuò)展范圍大,尤其是中間巖柱塑性區(qū)已全部貫通,這是由于中間巖柱受到較大的應(yīng)力集中影響,易發(fā)生剪切破壞,因此,采場(chǎng)不充填不利于上下鐵帶間巖柱的穩(wěn)定。

圖4 上下鐵帶開(kāi)采垂直位移與塑性區(qū)分布結(jié)果

3.2 充填開(kāi)采計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖5a 最大主應(yīng)力結(jié)果,在上礦帶采場(chǎng)開(kāi)采后并及時(shí)充填直至下礦帶開(kāi)采過(guò)程模擬中,礦巖體最大主應(yīng)力均未超過(guò)巖體抗壓強(qiáng)度,充填體起到很好的支撐作用;根據(jù)圖5b 最小主應(yīng)力結(jié)果,在上礦帶開(kāi)采充填后,下礦帶開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力為0.21 MPa,小于巖體抗拉強(qiáng)度。以上結(jié)果對(duì)比不充填開(kāi)采,礦巖受力情況得到明顯改善,且說(shuō)明采用上述采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理可行。

圖5 上下鐵帶開(kāi)采最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6a 為垂直位移計(jì)算結(jié)果,圖6b 所示為塑性區(qū)分布結(jié)果。隨著下礦帶開(kāi)采,上礦帶豎直位移有一定增加,但由于充填體的支撐作用,豎直位移增加量并不大,說(shuō)明充填體起到較好的支撐作用;從塑性區(qū)結(jié)果來(lái)看,隨著下礦帶采場(chǎng)逐步開(kāi)采,塑性區(qū)分布范圍開(kāi)始變大,由于充填體力學(xué)強(qiáng)度較小,在下礦帶采場(chǎng)逐步開(kāi)采過(guò)程中,充填體受力逐漸增大,因此充填體容易發(fā)生剪切受拉破壞。此時(shí)上下礦帶中間的巖柱由于應(yīng)力集中影響,塑性區(qū)范圍逐漸增大,但未完全貫通,說(shuō)明充填開(kāi)采可以維持上下礦帶開(kāi)采采場(chǎng)的穩(wěn)定。

圖6 上下鐵帶開(kāi)采垂直位移與塑性區(qū)分布結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦上下含鐵帶開(kāi)采數(shù)值分析,并對(duì)比不充填開(kāi)采結(jié)果,驗(yàn)證了上下鐵礦層充填開(kāi)采下采場(chǎng)的穩(wěn)定性,主要結(jié)論有:

(1)上下礦層開(kāi)采后不充填時(shí),上下鐵帶隔離巖柱產(chǎn)生的塑性發(fā)生貫通,主要為剪切塑性區(qū),說(shuō)明中間隔離巖柱受壓應(yīng)力較大已發(fā)生剪切破壞;上盤(pán)巖體則存在較多受拉塑性區(qū),說(shuō)明巖體受拉應(yīng)力破壞,且通過(guò)最小主應(yīng)力可知,巖體所受拉應(yīng)力接近1 MPa。

(2)上鐵帶采空區(qū)及時(shí)充填后,中間隔離巖柱存在的塑性區(qū)不發(fā)生貫通,且上盤(pán)巖體所受拉應(yīng)力較小,巖柱及采場(chǎng)周邊巖體基本可維持穩(wěn)定。

(3)由于充填體力學(xué)強(qiáng)度較小,在下礦帶采場(chǎng)逐步開(kāi)采過(guò)程中,充填體受力逐漸增大,充填體容易發(fā)生剪切受拉破壞,因此在下礦帶采場(chǎng)開(kāi)采到一定數(shù)量時(shí),建議將采場(chǎng)跨度適當(dāng)降低來(lái)進(jìn)一步保證頂板的穩(wěn)定性。