基于FLAC3D機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

羅方偉 李廣濤 何名聲 王 俊 田 孟 楊天雨

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.涼山礦業(yè)股份有限公司，四川 涼山 615141)

隨著我國(guó)科技水平的發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量不斷增加，淺部資源已開采殆盡，使得許多礦山企業(yè)朝著深部進(jìn)行開采[1]。由于開采技術(shù)條件及地下環(huán)境發(fā)生改變，淺部開采方法難以適用于深部開采。拉拉銅礦落凼礦段經(jīng)過長(zhǎng)年累月的開采，地表資源即將開采完畢，由于受到地質(zhì)條件及邊坡的影響，使得該礦區(qū)由露天轉(zhuǎn)為地下開采。根據(jù)地質(zhì)探礦結(jié)果，賦存在地下的礦體傾角與厚度突變，單一的采礦方法很難滿足生產(chǎn)需求，因此該礦山企業(yè)采用的采礦方法以分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘橹?、上向分層充填法為輔，實(shí)行多中段聯(lián)合開采。然而，從礦山實(shí)際效果來看，空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄆ毡榇嬖谟捎陧敯迕奥浔容^嚴(yán)重，大塊率、貧化率和損失率高的問題；上向水平分層充填法則會(huì)出現(xiàn)礦石損失率大、頂板暴露時(shí)間長(zhǎng)的問題，威脅著作業(yè)人員的安全。為了解決上述問題，結(jié)合落凼礦段深部礦體傾角呈緩傾斜、礦體呈多層分布、內(nèi)部有夾石的特征，采用規(guī)整化理論方法規(guī)整礦體，研究安全、高效、低貧損的兩步驟回采的連續(xù)開采工藝。該礦山嘗試采用機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法，該法有效地降低了采場(chǎng)的損失率及貧化率，并且暴露面積小，保證了采場(chǎng)的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬方法是模擬地下采場(chǎng)穩(wěn)定性的一種重要手段，通過給巖體賦不同的參數(shù)值，能夠模擬地下采場(chǎng)真實(shí)受力狀態(tài)，以此來驗(yàn)證采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。張敏思等[2]以某露天鐵礦采空區(qū)群為工程實(shí)例，綜合運(yùn)用多種理論公式計(jì)算法和RFPA數(shù)值模擬法，得出了采空區(qū)頂板發(fā)生破壞時(shí)頂板安全厚度和跨度之間的關(guān)系。蘭明等[3]基于彈性厚板理論分析頂板厚度，并用FLAC3D優(yōu)化不同采場(chǎng)跨度下的頂板厚度。孫國(guó)權(quán)等[4]通過數(shù)值模擬某礦采空區(qū)穩(wěn)定性并制定留設(shè)永久礦柱支撐采空區(qū)的方案。張建明等[5]基于數(shù)值模擬優(yōu)化深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同方案下采場(chǎng)的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)對(duì)比分析得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。劉志娜等[6]運(yùn)用顆粒流PFC分析無底柱采場(chǎng)參數(shù)組合多方案，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難易程度、貧損指標(biāo)等得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文以拉拉銅礦落凼礦段為工程背景,在已有礦巖穩(wěn)定性分級(jí)的成果上，運(yùn)用FLAC3D對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)膠結(jié)礦柱的塑性區(qū)以及礦房頂板的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及頂板位移的分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

1 工程概況

拉拉銅礦落凼礦段為本文研究的主要礦體，呈似層狀、透鏡狀、疊瓦式產(chǎn)出，有膨脹、分叉、復(fù)合尖滅再現(xiàn)的特點(diǎn)。據(jù)查閱資料統(tǒng)計(jì)，礦體傾角一般為25°～35°，礦體厚度分布不均勻，一般為5～35 m，多層礦體間夾石厚度變化范圍10～26 m，礦化較均勻，銅品位一般為0.75%～2.76%，品位變化系數(shù)93.67%。礦體圍巖種類為石英鈉長(zhǎng)巖及片巖，抗壓強(qiáng)度多為40～80 MPa，由地下開采情況可以看出，礦巖穩(wěn)固性屬中等穩(wěn)固。

借鑒進(jìn)路式上向水平分層充填采礦法的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文采用機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法(雙層礦)對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行開采，采場(chǎng)布置見圖1所示，該方法在走向上將礦體劃分為礦塊來進(jìn)行開采，沿走向長(zhǎng)50 m，傾向斜長(zhǎng)按10 m分段(初設(shè)的分段高度)高度作控制，采場(chǎng)內(nèi)沿傾向再劃分條帶，分為Ⅰ步條帶和Ⅱ步條帶，先采Ⅰ步條帶，并且Ⅰ步條帶超前Ⅱ步條帶至少一個(gè)分段高(10或20 m)，Ⅰ步條帶寬6～8 m，Ⅱ步條帶寬8 m。因條帶相互穿插，Ⅰ、Ⅱ步驟采準(zhǔn)在走向上交錯(cuò)布置，分層高度為3.5～5.0 m。每一分層落礦后，均進(jìn)行充填，Ⅰ步驟條帶膠結(jié)充填，Ⅱ步驟條帶底層尾砂、廢石充填，面層為滿足無軌設(shè)備運(yùn)行，膠結(jié)充填。采場(chǎng)單條帶平均生產(chǎn)能力一般為200 t/d，盤區(qū)內(nèi)一般設(shè)置4個(gè)條帶采場(chǎng)同時(shí)開采，礦塊回采平均生產(chǎn)能力約150～200 t/d。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明：通過該采礦方法，使得礦產(chǎn)資源的損失率及貧化率大大減少，如表1所示。除此之外，由于兩步驟條帶在走向上交錯(cuò)布置，解決了上向充填采礦法不接頂?shù)膯栴}，保證了采場(chǎng)的穩(wěn)定性。在已知采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

1—回采聯(lián)道；2—沿脈干線；3—礦石溜井；4—穿脈運(yùn)輸平巷；5—Ⅰ步驟充填體；6—Ⅱ步驟充填體；7—充填回風(fēng)上山；8—夾石；9—Ⅰ進(jìn)路；10—Ⅱ進(jìn)路圖1 機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法(雙層礦)Fig.1 Two-step mechanized strip upward slicing and filling mining method(double-layer ore)

表1 不同采礦方法下礦體貧損指標(biāo)

2 模型建立及參數(shù)取值

2.1 幾何模型的建立

針對(duì)機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法(雙層礦)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方式，根據(jù)現(xiàn)有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)兩步驟開采過程中，礦房和礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，提出指導(dǎo)意見。根據(jù)礦山地質(zhì)狀況，礦體分段高度10 m，Ⅰ步條帶寬6 m，Ⅱ步條帶寬8 m，長(zhǎng)度都為50 m，分層高度3 m，考慮模型開挖對(duì)周圍巖體的影響范圍，根據(jù)圣維南原理，數(shù)值分析廣泛采用3～5倍開挖半徑作為模型邊界，本文模型長(zhǎng)×寬×高取為980 m×700 m×252 m，頂部距離地表500 m。模型共劃分2 845 568個(gè)單元體，2 910 033個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終生成的模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.2 Numerical simulation calculation model

2.2 本構(gòu)模型與力學(xué)參數(shù)

目前，廣泛采用的數(shù)值模擬本構(gòu)模型方程為摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，它能夠準(zhǔn)確反映材料抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系[7]。落凼礦深部礦段地質(zhì)條件復(fù)雜，要準(zhǔn)確確定其巖石力學(xué)參數(shù)難度較大，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，選取巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)選取結(jié)果表

2.3 施加初始條件及邊界約束

1)初始地應(yīng)力場(chǎng)[8]。落凼礦區(qū)礦體埋深較淺，豎直應(yīng)力取自重應(yīng)力。

σv=γH

式中：γ為礦巖容重，γ=ρg，g取9.81 m/s2，N/m3；H為埋深，m。

根據(jù)彈性力學(xué)原理，水平應(yīng)力隨深度按一定應(yīng)力梯度變化。

式中：μ為泊松比；σv為豎直應(yīng)力，MPa。

2)模型邊界條件。模型上表面邊界采用法向應(yīng)力約束，底部和4個(gè)側(cè)面均采用固定位移約束。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.4.1 膠結(jié)礦柱計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法(雙層礦)采場(chǎng)的穩(wěn)定性研究而言，主要分為兩個(gè)部分，一部分是Ⅰ步驟條帶開挖充填形成人工礦柱時(shí)，該礦柱是否具有穩(wěn)定性，能夠保證二步驟條帶鑿巖爆破的作業(yè)環(huán)境安全；另一部分是二步驟條帶開挖過程中采場(chǎng)頂板能否提供安全穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境直至整個(gè)分段完全爆破。

首先，Ⅰ步驟條帶開挖充填形成膠結(jié)礦柱，并且隨著開挖層數(shù)的增加，膠結(jié)礦柱的高度也隨之增加，如圖2所示，將膠結(jié)礦柱編號(hào)為①～⑤。當(dāng)Ⅰ步驟條帶開挖至下一分段時(shí)，Ⅱ步驟條帶開始鑿巖爆破作業(yè)，隨著Ⅱ步驟條帶不斷開挖充填，膠結(jié)礦柱模擬方案結(jié)果如圖3～7所示，對(duì)于膠結(jié)礦柱①，礦柱兩側(cè)早期均發(fā)生不同程度的破壞，破壞寬度為3 m,但礦柱中心區(qū)域并未發(fā)生破壞，即礦柱有效寬度為3 m；對(duì)于膠結(jié)礦柱②，礦柱兩側(cè)早期均發(fā)生不同程度的破壞，破壞寬度為3 m,但礦柱中心區(qū)域并未發(fā)生破壞，即礦柱有效寬度為3 m；對(duì)于膠結(jié)礦柱③，礦柱兩側(cè)早期均發(fā)生不同程度的破壞，破壞寬度為2 m,礦柱中心區(qū)域底部發(fā)生小范圍破壞，破壞高度為1 m；對(duì)于膠結(jié)礦柱④，礦柱兩側(cè)發(fā)生破壞，中心區(qū)域發(fā)生小范圍破壞，破壞高度為1 m；對(duì)于膠結(jié)礦柱⑤，礦柱兩側(cè)發(fā)生破壞，中心區(qū)域并未發(fā)生破壞。由上可知，在整個(gè)開采過程中礦柱并未出現(xiàn)大范圍的破壞，因此，礦柱的結(jié)構(gòu)尺寸可以滿足安全生產(chǎn)的要求。

圖3 膠結(jié)礦柱①塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of plastic zone in cemented pillar ①

圖4 膠結(jié)礦柱②塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone in cemented pillar ②

圖5 膠結(jié)礦柱③塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone in cemented pillar ③

圖6 膠結(jié)礦柱④塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone in cemented pillar ④

圖7 膠結(jié)礦柱⑤塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone in cemented pillar ⑤

2.4.2 采場(chǎng)頂板計(jì)算結(jié)果分析

在該采礦方法中Ⅰ步驟礦房開采充填形成膠結(jié)礦柱后，Ⅱ步驟礦房開始鑿巖爆破作業(yè)。影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的除了礦柱以外，采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性也尤為重要。以下是對(duì)采場(chǎng)頂板數(shù)值模擬分析的結(jié)果，從圖8～9中可以看出，最大壓應(yīng)力主要分布在礦房的頂板，數(shù)值為0.89 MPa。最大拉應(yīng)力主要分布在礦房頂?shù)装?，?shù)值為0.386 MPa,未超過巖體的抗拉強(qiáng)度值(0.96 MPa)，采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖10可以看出，位移變化量呈拱形分布，采場(chǎng)頂?shù)装逶娇拷諈^(qū)位移量越大，頂板的最大位移量為0.014 m,底板的最大位移量為0.013 m,總的來說，采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，采場(chǎng)并未發(fā)生破壞。

圖8 最大主應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud map of the maximum principal stress

圖9 最小主應(yīng)力云圖Fig.9 The minimum principal stress nephogram

圖10 垂直方向位移云圖Fig.10 Vertical displacement cloud image

3 結(jié)論

為了保證深部開采人工礦柱及采場(chǎng)頂板的安全性，本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性研究?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

1)機(jī)械化兩步驟條帶式上向分層充填采礦法有效地減少了礦產(chǎn)資源的損失率及貧化率，解決了上向充填采礦法充填體不接頂?shù)膯栴}，保證了采場(chǎng)的安全。

2)在已知采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，通過數(shù)值模擬分析可知：隨著一步驟條帶開挖的進(jìn)行，膠結(jié)礦柱的高度隨之增加，在二步驟開采過程中，對(duì)膠結(jié)礦柱塑性區(qū)進(jìn)行分析，可以看出塑性區(qū)主要分布在礦柱兩側(cè)，中心區(qū)域幾乎沒有塑性區(qū)，因此，礦柱是穩(wěn)定的。

3)由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，頂板的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、頂板位移量均在安全范圍之內(nèi)，采場(chǎng)并未發(fā)生破壞。