張家洼鐵礦崩落轉(zhuǎn)充填采礦工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

趙增山 張 舟 金愛兵 畢 坤

（1.魯中礦業(yè)有限公司，山東濟(jì)南271100；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083）

由于崩落法存在地表塌陷嚴(yán)重、礦石損失貧化率高、尾礦排放大以及深部地壓顯現(xiàn)頻繁等明顯缺點(diǎn)，采用崩落法開采的礦山逐漸向以綠色、高效、安全為特征的充填采礦方法轉(zhuǎn)變［1-3］。為實(shí)現(xiàn)崩落法轉(zhuǎn)充填法的平穩(wěn)過渡，并保證深部充填開采時(shí)采場穩(wěn)定，在崩落與充填銜接處一般留設(shè)一定厚度隔離礦柱，其厚度是影響整體采場安全的重要因素。同時(shí)采礦工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)（礦房跨度、充填工藝等）的選擇也直接關(guān)系到采礦成本及回采效率［4-5］，因此有必要對隔離礦柱的厚度、礦房跨度及充填工藝進(jìn)行研究。

對于崩落轉(zhuǎn)充填過程中采場穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)參數(shù)，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Bieniawsk等［6］采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)對礦柱巖石進(jìn)行變形測試，認(rèn)為礦柱寬高比、尺寸效應(yīng)和礦柱力學(xué)性質(zhì)是決定礦柱穩(wěn)定性的主要因素。Seryakov［7］運(yùn)用有限元進(jìn)行模擬，根據(jù)礦體傾角變化、礦柱壁面與礦層法線夾角的變化2個(gè)因素建立了多種數(shù)值模型，從應(yīng)力、應(yīng)變角度確定最優(yōu)的礦柱尺寸。劉艷章等［8］采用π定理建立了隔離礦柱厚跨比模型，并應(yīng)用于程潮鐵礦崩落轉(zhuǎn)充填過渡采場礦柱留設(shè)尺寸研究中，利用ANSYS有限元軟件和現(xiàn)場工況實(shí)踐驗(yàn)證了該模型的合理性。曾令義等［9］將厚跨比法、普氏壓力拱法和簡化梁法與FLAC3D數(shù)值模擬軟件相結(jié)合，對信宜銀巖錫礦崩落轉(zhuǎn)充填留設(shè)的最小隔離層厚度進(jìn)行了計(jì)算并驗(yàn)證，為礦山安全生產(chǎn)提供了重要保障。李夕兵等［10］針對某鉛鋅礦崩落轉(zhuǎn)充填問題，采用中厚板理論和FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算并驗(yàn)證了隔離礦柱最佳留設(shè)厚度。李玉飛等［11］基于突變理論構(gòu)建了隔離礦柱力學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到最佳隔離礦柱安全厚度，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬驗(yàn)證其合理性。姜維等［12］以大冶鐵礦為工程背景，設(shè)計(jì)了崩落法轉(zhuǎn)充填法過渡階段的進(jìn)路方式，并利用FLAC3D計(jì)算了隔離礦柱的位移以確保其穩(wěn)定性。

關(guān)于采礦工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，鄔金等［13］對影響礦房穩(wěn)定性的礦房高度、寬度、礦柱寬度及充填方式4個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，并通過FLAC3D對不同因素進(jìn)行模擬分析，研究表明采場長度對穩(wěn)定性影響最大，并給出力學(xué)狀態(tài)最佳時(shí)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。許振華等［14］利用有限元軟件3D-σ對深井硬巖礦山15 m、20 m、25 m和30 m共4個(gè)不同采場跨度進(jìn)行計(jì)算分析，得到當(dāng)采場高度80 m時(shí)，選擇20 m采場跨度可使圍巖受力狀態(tài)與整體穩(wěn)定性較好。楊悅增等［15］以夏甸金礦為工程背景，采用FLAC3D對上向水平分層充填回采結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，通過觀察不同回采方案采場中的應(yīng)力、塑性區(qū)情況選定了最優(yōu)礦房和礦柱寬度。郝益民等［16］以金山店鐵礦為工程背景，利用荷載傳遞線理論和厚跨比理論計(jì)算了采場臨界跨度，并結(jié)合FLAC3D對8 m、10 m、12 m和15 m采場跨度進(jìn)行計(jì)算分析，得出了采場跨度為10 m時(shí)采場穩(wěn)定性最好。陳暉等［17］通過構(gòu)建基于未知測度理論的采礦方法優(yōu)選模型，最終確定采用下向中深孔落礦嗣后充填法進(jìn)行開采，同時(shí)根據(jù)礦體特征和開采經(jīng)驗(yàn)利用FLAC3D對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，研究表明當(dāng)采場寬×高為4.5 m×15 m或5 m×13 m，沿走向布置，長度為100 m時(shí)，采場頂板穩(wěn)定性較好。

本研究以張家洼鐵礦崩落轉(zhuǎn)充填為工程背景，基于厚跨比法和普氏拱理論計(jì)算隔離礦柱安全厚度范圍，建立簡支梁模型對其垂直位移進(jìn)行計(jì)算，確保采場穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬手段分析采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填工藝對采場穩(wěn)定性的影響，確定采場最優(yōu)礦房跨度及充填工藝。研究結(jié)果對類似礦山在崩落法轉(zhuǎn)充填法過程中采礦工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取具有一定借鑒意義。

1 工程背景

張家洼鐵礦地質(zhì)儲(chǔ)量為4 200萬t，礦體賦存于大理巖與閃長巖的接觸帶，走向 290°～296°，傾向 20°～26°，傾角一般在20°～50°，上部較緩（10°～20°），向下逐漸變陡。長1 200 m，延深750 m，埋深327～940 m，賦存標(biāo)高-119～-729 m。厚度2.56～94.79 m，平均厚度32.22 m；礦體TFe品位25.22%～66.69%，平均品位41.33%。現(xiàn)階段張家洼礦選用的采礦方法為無底柱分段崩落法，礦塊沿走向長56 m，垂直走向?yàn)榈V體厚度，分段高度12.5 m，進(jìn)路間距14 m。

為解決崩落法造成的地表塌陷和深部開采安全問題，同時(shí)做好生產(chǎn)接替工作，設(shè)計(jì)在-350 m以下采用預(yù)控頂高分段充填采礦法，并在崩落法轉(zhuǎn)充填法的過渡階段留設(shè)12.5 m隔離礦柱。充填采場初步設(shè)計(jì)為：礦房跨度10 m、12 m或15 m，分段內(nèi)采用“隔一采一”的方式間隔回采，一步驟回采礦房后即對空區(qū)進(jìn)行充填，中段內(nèi)上部三分段空區(qū)底部11.5 m采用強(qiáng)度為1 MPa充填體，上部1.0 m采用強(qiáng)度為2 MPa充填體。每個(gè)中段最下分層底部5.0 m作為下中段回采的人工假頂，采用強(qiáng)度為3～5 MPa充填體，中部6.5 m采用強(qiáng)度為1 MPa充填體，上部1.0 m為強(qiáng)度2 MPa充填體，充填初步設(shè)計(jì)如圖1所示。為了保證礦山安全生產(chǎn)并優(yōu)化開采工藝，有必要通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法對隔離礦柱厚度以及礦房跨度、充填工藝等進(jìn)行研究。

2 隔離礦柱安全厚度理論計(jì)算

隔離礦柱留設(shè)厚度過大會(huì)造成資源浪費(fèi)，若留設(shè)厚度不夠，則會(huì)引起上部崩落的散體礦巖冒落，產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)導(dǎo)致隔離層發(fā)生破壞，進(jìn)而影響下部充填采場安全。采用厚跨比法和普氏拱理論2種方法對隔離礦柱厚度進(jìn)行研究，并建立簡支梁模型對垂直位移進(jìn)行計(jì)算分析穩(wěn)定性。

2.1 厚跨比法計(jì)算安全厚度

厚跨比法主要考慮水平跨度W和隔離層最薄處厚度H兩個(gè)因素。根據(jù)厚跨比理論［18-19］，不考慮隔離層的形狀、荷載大小和性質(zhì)等因素，隔離層留設(shè)厚度與采空區(qū)水平跨度之比H/W≥0.5時(shí)認(rèn)為所留設(shè)的為最小安全厚度。引入安全系數(shù)K，計(jì)算公式為

式中，H為隔離層最薄處厚度，m；W1為空區(qū)水平跨度，m；K為安全系數(shù)。

初步設(shè)計(jì)采場跨度為10～15 m，安全系數(shù)選取一般與礦巖穩(wěn)定性有關(guān)，通常取K=1.15～1.3，為保障礦山安全生產(chǎn)，取K為1.15。因此根據(jù)厚跨比法計(jì)算出安全厚度為7.5～11.25 m。

2.2 普氏拱法計(jì)算安全厚度

普氏拱理論認(rèn)為巷道或空區(qū)形成后，其頂板會(huì)形成壓力拱帶。由于崩落法導(dǎo)致礦巖破碎，屬松散巖體，因此采用破裂拱公式［20］進(jìn)行計(jì)算：

式中，Hp為破裂拱高，m；W2為礦柱水平跨度，m；h為礦柱高度，m；φ為礦石內(nèi)摩擦角，（°）；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

礦石的抗壓強(qiáng)度為68.1 MPa，內(nèi)摩擦角為28°，根據(jù)普氏拱理論，隔離層需要足夠的厚度和穩(wěn)定的巖層，以承受巖體的自重和上部覆蓋層荷載，因而隔離層最小厚度應(yīng)為計(jì)算出的拱高加穩(wěn)定巖層厚度。根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)確定最小安全厚度為壓力拱拱高的3倍后，計(jì)算出隔離層最小厚度為12.1 m。

根據(jù)2種方法的計(jì)算結(jié)果，隔離層厚度不應(yīng)小于12.1 m，因此12.5 m隔離礦柱理論上滿足安全要求。

2.3 基于簡支梁模型豎直位移計(jì)算

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，隔離礦柱長80 m，寬為40 m，高度為12.5 m，當(dāng)?shù)V體回采結(jié)束后，上覆崩落法礦巖自重簡化為作用在隔離礦柱上的均布荷載q，兩端固支在堅(jiān)硬圍巖中，在荷載作用下隔離礦柱頂部受壓產(chǎn)生彎曲變形，下部受拉。將其簡化為簡支梁模型，如圖2所示，以簡支梁的軸線方向?yàn)閤軸，梁左端豎直方向?yàn)閥軸建立平面直角坐標(biāo)系。

利用簡支梁模型受均布載荷彎曲變形理論［21］，建立撓度方程，由此求出垂直方向位移。

彎矩方程：

撓曲線方程：

通過給定簡支梁的邊界條件在x=0處，y=0；在x=L處，y=0，由此可以解出D=0，C=-qL3/24。將其代入式（4）得到方程：

進(jìn)而求得簡支梁最大位移在中間部位，即：

式中，L為隔離礦柱的跨度，m；E為隔離礦柱彈性模量，GPa；q表示隔離礦柱上覆巖層重力的等效均布線荷載，可按照下式計(jì)算：

當(dāng)計(jì)算隔離礦柱頂板時(shí)，q隔離礦柱=2.75×107N/m，彈性模量為37 GPa，結(jié)合極慣性矩I=hL3/12，計(jì)算隔離層最大位移為ymax=9.31 mm，可以滿足過渡階段采場內(nèi)穩(wěn)定性的要求。

3 礦房跨度及充填工藝模擬優(yōu)化

根據(jù)礦山初步設(shè)計(jì)和理論分析結(jié)果，最終確定隔離礦柱厚度為12.5 m。采用數(shù)值模擬方法，通過改變礦房跨度以及充填工藝，分析采場穩(wěn)定性。

3.1 模型建立

結(jié)合礦體空間形態(tài)建立該礦崩落轉(zhuǎn)充填-350～-400 m階段采場的數(shù)值模型。模型簡化為圍巖、礦體、隔離層和崩落散體4個(gè)部分。礦體模型包含一個(gè)中段及下中段最上部分段，每分段高12.5 m，礦體和隔離層呈45°傾斜分布。整體模型尺寸為長×寬×高=316 m×288 m×310 m，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，采用控制變量法進(jìn)行以下三方面模擬。

（1）礦房跨度模擬。如圖4（a）所示，設(shè)定底層人工假頂充填體強(qiáng)度為5 MPa，充填方式為不同強(qiáng)度充填體分層充填，改變礦房跨度分別為10 m、12 m和15 m，確定滿足采場安全條件下最優(yōu)礦房跨度。

（2）人工假頂強(qiáng)度模擬。如圖4（b）所示，選擇最優(yōu)礦房跨度，改變中段底層人工假頂充填體強(qiáng)度分別為3 MPa、4 MPa和5 MPa，確定滿足頂板穩(wěn)定的人工假頂充填體強(qiáng)度。

（3）充填方式模擬。如圖4（c）所示，選擇最優(yōu)礦房跨度和人工假頂強(qiáng)度，改變充填方式為采用強(qiáng)度為1 MPa充填體整體充填，對比2種充填方式對采場穩(wěn)定的影響。

計(jì)算模型采用的邊界條件為底部施加水平及豎直方向約束，側(cè)面限制水平方向移動(dòng)，上表面為自由邊界，同時(shí)對整個(gè)模型施加水平應(yīng)力及自重應(yīng)力場。崩落法產(chǎn)生的散體礦巖力學(xué)參數(shù)由強(qiáng)度折減法確定，其余所需巖體力學(xué)參數(shù)參照礦山力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同采礦工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定采場整體穩(wěn)定性，因此模擬研究內(nèi)容主要包括不同礦房跨度、不同假頂強(qiáng)度以及不同充填方式。

4.1 不同礦房跨度開采分析

（1）隔離礦柱位移分析。以頂板隔離礦柱為對象研究采用不同礦房跨度回采對其穩(wěn)定性的影響。3種跨度隔離礦柱位移分布如圖5所示。由圖5可知，在礦房回采過程中，采場頂板隔離礦柱的垂直位移會(huì)隨著礦房回采而逐漸增加，礦房全部回采后達(dá)最大值?？梢钥闯?，隨著礦房跨度的逐漸增大，采場頂板隔離礦柱垂直位移呈增加的趨勢，但增幅差值不大。

在開采過程中，3種礦房跨度條件下隔離礦柱均呈現(xiàn)由兩側(cè)向中央下沉位移逐漸增大的規(guī)律，且位移最大值均集中在2礦房與3礦房頂板位置。為直觀分析隔離礦柱位移分布規(guī)律，在4個(gè)礦房頂板隔離礦柱沿進(jìn)路方向共布置36個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，其布置間隔為5 m。圖6為開采結(jié)束后最大位移曲線圖。由圖6可知，礦房跨度為10 m、12 m和15 m時(shí)，其垂直位移最大值分別為8.86 mm、10.69 mm和15.79 mm，相對于10 m和12 m跨度，當(dāng)采場跨度為15 m時(shí)，其頂板垂直位移顯著增大。

（2）拉應(yīng)力及塑性區(qū)分布分析?；夭蛇^程中，頂板易形成拉伸破壞而導(dǎo)致采場失穩(wěn)，因此拉應(yīng)力狀態(tài)是影響采場穩(wěn)定性的重要因素。3種礦房跨度開采結(jié)束后采場頂板隔離礦柱應(yīng)力分布見圖7。由圖7可知，采用不同礦房跨度對一步采中礦房開采結(jié)束后采場頂板隔離礦柱的應(yīng)力分布情況基本相同，無明顯應(yīng)力分布差別。3個(gè)跨度拉應(yīng)力最大值分別為0.35 MPa、0.73 MPa和1.41 MPa，一步采礦房回采充填完成后，充填礦房頂板出現(xiàn)了小部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。

相對應(yīng)的塑性區(qū)分布見圖8。塑性區(qū)分布一定程度上代表了巖體內(nèi)的破壞情況，由圖8可知，3種跨度礦房其塑性區(qū)分布大致相同，且均為剪切破壞，10 m礦房跨度所發(fā)生的剪切破壞區(qū)域面積最小。通過對比分析，3種跨度礦房一步采后采場頂板隔離礦柱未出現(xiàn)大面積貫通拉伸破壞區(qū)域，塑性區(qū)影響范圍不大，采場內(nèi)整體較穩(wěn)定。

綜上所述，通過比較3種不同礦房跨度在第一個(gè)中段礦房回采結(jié)束后位移、拉應(yīng)力及塑性區(qū)情況發(fā)現(xiàn)：15 m跨度時(shí)，頂板位移及拉應(yīng)力集中較大，10 m和12 m時(shí)基本都能保證采礦安全。為了進(jìn)一步確保回采安全，優(yōu)先采用10 m礦房跨度，在頂板條件好的區(qū)域可以考慮采用12 m礦房跨度。

4.2 不同假頂強(qiáng)度分析

設(shè)定中段底部人工假頂充填體強(qiáng)度分別為3 MPa、4 MPa和5 MPa，對3種情況下人工假頂穩(wěn)定性影響進(jìn)行模擬研究。

（1）人工假頂位移分析。如圖9所示，假頂強(qiáng)度為3 MPa、4 MPa和5 MPa時(shí)，人工假頂垂直位移最大值分別為7.16 mm，7.09 mm和7.05 mm。人工假頂垂直位移基本無差別，且分布規(guī)律基本一致，最大值出現(xiàn)在人工假頂?shù)闹虚g位置，即3種人工假頂強(qiáng)度都可滿足采場穩(wěn)定性要求。

（2）拉應(yīng)力及塑性區(qū)分布分析。從圖10可知，三種強(qiáng)度的人工假頂在下中段回采時(shí)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力，其拉應(yīng)力最大值分別為0.62 MPa、0.52 MPa和0.41 MPa，但差別不大，且未出現(xiàn)較大面積應(yīng)力集中。由塑性區(qū)分布圖11可以看出，塑性破壞主要以剪切破壞和小部分拉伸破壞為主，3種強(qiáng)度人工假頂周圍塑性區(qū)未產(chǎn)生貫通，分布規(guī)律基本一致。可見隨假頂強(qiáng)度的增大，塑性區(qū)未發(fā)生明顯減小。

綜上分析，在下中段礦房回采時(shí)3種強(qiáng)度人工假頂?shù)奈灰啤?yīng)力和塑性區(qū)情況沒有明顯差別，均可保證采礦安全，因此采用強(qiáng)度為3 MPa的人工假頂可以在保證采場整體穩(wěn)定的前提下降低生產(chǎn)成本。

4.3 不同充填方式分析

對上部三分段采用不同強(qiáng)度分層充填和1 MPa充填體整體充填2種方式進(jìn)行模擬分析。

（1）隔離礦柱位移分析。由圖12（a）可知，當(dāng)采用強(qiáng)度為1 MPa充填體整體充填人工假頂上部空區(qū)時(shí)，采場頂板整個(gè)隔離礦柱垂直位移最大為9.03 mm。與分層充填方式進(jìn)行對比（圖5（a）），沒有出現(xiàn)大幅度增加，僅增加0.17 mm，增幅為1.9%，且兩者分布規(guī)律一致。

（2）拉應(yīng)力及塑性區(qū)分布分析。由應(yīng)力分布情況圖12（b）可知，采用1 MPa整體充填方式，頂板隔離礦柱拉應(yīng)力最大值0.37 MPa，相比不同強(qiáng)度分層充填（圖7（a）），最大拉應(yīng)力值僅增大0.02 MPa。由塑性區(qū)分布圖12（c）可以看出，采場頂板隔離礦柱依然有剪切破壞，與分層充填方式的破壞類型和分布規(guī)律大體一致，剪切破壞面積沒有明顯增加，說明2種充填方式具有相似的塑性破壞程度。

（3）二步采充填體穩(wěn)定性分析。二步采礦柱時(shí)，原礦房充填體處于單側(cè)揭露狀態(tài)，其穩(wěn)定性對二步采安全具有十分重要影響。由圖13可知，在二步采充填體單側(cè)揭露時(shí)，分層充填和整體充填方式下其水平變形最大值分別為3.95 mm和4.05 mm，2種方式僅相差0.1 mm，且都未出現(xiàn)明顯變形破壞區(qū)。

綜上所述，采用2種充填方式對一步采礦房充填后，均能保證采場頂板隔離礦柱未發(fā)生較大下沉位移和塑性破壞，且滿足二步采充填體單側(cè)揭露穩(wěn)定要求。因此為了降低多次不同強(qiáng)度分層充填帶來的施工組織難度，可以采用強(qiáng)度為1 MPa充填體整體充填。

5 結(jié) 論

通過理論計(jì)算獲得保證下部充填采場穩(wěn)定的隔離礦柱厚度，并結(jié)合數(shù)值模擬手段對不同礦房跨度及充填工藝條件下采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）留設(shè)12.5 m厚的隔離礦柱理論上滿足安全要求，由簡支梁模型求解得最大垂直變形為9.31 mm，能夠保證下部充填采場穩(wěn)定性。

（2）3種跨度均使頂板隔離礦柱產(chǎn)生不同程度垂直位移及拉應(yīng)力，15 m應(yīng)力集中和位移較大，10 m和12 m穩(wěn)定性相對較好，因此優(yōu)先選擇10 m礦房跨度，頂板條件好的區(qū)域可以采用12 m礦房跨度。

（3）假頂強(qiáng)度為3 MPa、4 MPa和5 MPa時(shí)，均能保證下中段回采時(shí)上部采場穩(wěn)定，可采用3 MPa作為人工假頂?shù)某涮铙w強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

（4）礦房內(nèi)人工假頂上部采用分層充填與整體充填方式對采場穩(wěn)定性影響差異不大，并且充填體在二步采單側(cè)揭露時(shí)水平變形分別為3.95 mm和4.05 mm，均滿足穩(wěn)定性要求。