露天轉(zhuǎn)地下大規(guī)模開(kāi)采盤(pán)區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析

孫 健, 陳小偉, 宮長(zhǎng)亮, 安 晶, 任鵬召, 張 磊, 張少杰

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司大孤山分公司, 遼寧 鞍山 114046; 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038;3.北京科技大學(xué), 北京 100083)

1 前言

目前,我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源逐漸減少,大部分露天礦山相繼進(jìn)入地下開(kāi)采階段[1-2]。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采引起地壓活動(dòng)規(guī)律改變,使開(kāi)采盤(pán)區(qū)圍巖力學(xué)條惡化,威脅礦山企業(yè)的生產(chǎn)安全[3-5]。為有效控制盤(pán)區(qū)圍巖穩(wěn)定,設(shè)計(jì)中通常留設(shè)承載礦柱,相關(guān)研究主要涉及礦柱承載機(jī)理及厚度優(yōu)化、礦柱尺寸設(shè)計(jì)、盤(pán)區(qū)采場(chǎng)跨度、隔離礦柱回采方案優(yōu)化、礦柱承載與破壞特征等方面內(nèi)容。王文軍等[6]研究了深部開(kāi)采中隔離庫(kù)礦柱的承載機(jī)理,采用理論分析和數(shù)值模擬的方法,確定原巖隔離礦柱為25 m時(shí)滿(mǎn)足安全要求;賴(lài)祖豪等[7]基于量綱分析理論,選取5因素水平建立境界礦柱厚度計(jì)算模型,采用計(jì)算模型得到的境界礦柱厚度與實(shí)際值接近,該模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性,可為露天轉(zhuǎn)地下境界礦柱厚度的確定提供理論依據(jù);盧萍[8]等采用FLAC3D數(shù)值模擬方法,進(jìn)行了不同厚度隔離礦柱的數(shù)值模擬,確定礦山隔離礦柱厚度20 m為最優(yōu)值;范文濤等[9]基根據(jù)不同礦柱長(zhǎng)寬比模型計(jì)算,發(fā)現(xiàn)礦柱的長(zhǎng)寬比值越大,承載能力降低,且脆性破壞特征明顯;史秀志等[10]建立了礦柱簡(jiǎn)化力學(xué)模型,利用能量突變分析法,導(dǎo)出盤(pán)區(qū)礦柱的失穩(wěn)判據(jù),據(jù)此得到盤(pán)區(qū)礦柱的安全寬度為31 m;張少杰等[11]研究了深井超大面積開(kāi)采盤(pán)區(qū)條形礦柱的應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征,揭示了盤(pán)區(qū)礦柱的承載作用;羅斌玉等[12]建立了壓剪荷載作用下礦柱力學(xué)模型,分析不同應(yīng)力路徑對(duì)礦柱穩(wěn)定性的影響;隔離礦柱回采方案與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[13-14],主要根據(jù)盤(pán)區(qū)回采順序和盤(pán)區(qū)隔離礦柱采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行圍巖變形和應(yīng)力分布特征對(duì)比研究,選出最優(yōu)方案;朱萬(wàn)成等[15]認(rèn)為礦柱的承載及失穩(wěn)破壞與采空區(qū)穩(wěn)定性緊密相關(guān),歸納總結(jié)單礦柱穩(wěn)定性研究方法和多礦柱載荷傳遞行為及失穩(wěn)破壞機(jī)制。采區(qū)通常為多礦柱布置,礦柱除承受上覆巖層荷載外,多礦柱之間也存在傳遞荷載,荷載形式極為復(fù)雜,相關(guān)研究相對(duì)較少,導(dǎo)致工程實(shí)踐中礦柱尺寸設(shè)計(jì)缺少科學(xué)依據(jù)。

本文對(duì)某鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采盤(pán)區(qū)礦柱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,在保證地下礦體開(kāi)采量最大化的基礎(chǔ)上,研究不同礦柱寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,研究成果可為露天轉(zhuǎn)地下大規(guī)模開(kāi)采條件下的礦柱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)

礦區(qū)斷裂構(gòu)造對(duì)鐵礦床的影響最大,斷裂基本沿鐵礦帶近于平行展布,走向280°～310°,由數(shù)條平行或相互交匯復(fù)合的斷層組成,總體構(gòu)造性質(zhì)為南盤(pán)向東走滑的以走滑為主的斷裂構(gòu)造。巖石風(fēng)化程度一般,發(fā)育深度30～80 m,鉆孔揭露風(fēng)化裂隙發(fā)育最大深度為62.37 m。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,個(gè)別位置受斷裂構(gòu)造、層間裂隙或巖脈侵入、穿插致使巖性頻繁變化的影響,使巖石質(zhì)量和巖體完整性受到一定的破壞,破碎位置多位于綠泥石英片巖和石英巖中,使其巖石質(zhì)量及巖體完整性均較差。露天采場(chǎng)斷層多與邊幫呈大角度相交,斷層傾角較陡,或與邊幫坡面反傾,邊幫巖體受斷層及次生結(jié)構(gòu)面的影響較大。

礦體及圍巖完整性多為中等-完整,巖體質(zhì)量中等-極好,局部構(gòu)造帶及巖脈侵入接觸帶附近巖體較破碎,完整性和質(zhì)量較差。礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜類(lèi)型為中等類(lèi)型。

2.2 開(kāi)采現(xiàn)狀

某鐵礦經(jīng)過(guò)多年露天開(kāi)采后,現(xiàn)形成東西長(zhǎng)1 700 m、南北寬1 520 m、垂直深達(dá)400 m橢圓形露天坑,其地形地貌景觀是整個(gè)礦坑呈倒金字塔形?，F(xiàn)露天采場(chǎng)最低標(biāo)高為-354 m,露天采場(chǎng)上口地面標(biāo)高約70～110 m;礦體長(zhǎng)約1 200 m,走向310°～315°,傾角60°～75°,平均厚度128 m,設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高-414 m。根據(jù)礦山產(chǎn)量安排,露天開(kāi)采預(yù)計(jì)2024年結(jié)束,后續(xù)需對(duì)礦山轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采進(jìn)行規(guī)劃、建設(shè)。

根據(jù)礦體的開(kāi)采技術(shù)條件,采礦方法主要采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê头侄慰請(qǐng)鏊煤蟪涮罘?。將礦體劃分為盤(pán)區(qū),以盤(pán)區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)。采場(chǎng)分為礦房和礦柱,進(jìn)行兩步驟回采,礦房、礦柱寬度均定為18 m,采場(chǎng)長(zhǎng)為90 m,中段高度60 m,采用隔三采一的方式開(kāi)采,一步礦房回采結(jié)束后,再對(duì)二步礦柱進(jìn)行回采。

3 數(shù)值模擬

3.1 航拍模型

采用測(cè)繪專(zhuān)業(yè)級(jí)設(shè)備無(wú)人機(jī)(經(jīng)緯M300_RTK)在礦區(qū)進(jìn)行了三維實(shí)景復(fù)制,航測(cè)范圍周長(zhǎng)約15 km,面積約16 km2,精細(xì)測(cè)量的重點(diǎn)區(qū)域主要有:礦坑、排巖場(chǎng)和尾礦庫(kù)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的工作流程分為像控點(diǎn)布設(shè)、測(cè)線(xiàn)規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)等流程。經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)航拍得到的影像數(shù)據(jù),通過(guò)影像數(shù)據(jù)中的角點(diǎn)、邊緣等灰度值差異較大的點(diǎn)等一系列特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,匹配完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正,以保證得到數(shù)據(jù)的精度。對(duì)擁有同一特征點(diǎn)的三張及以上照片進(jìn)行三角運(yùn)算,獲得特征點(diǎn)的空間數(shù)據(jù),并對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差運(yùn)算,矯正照片的位置信息和姿態(tài)信息。矯正完成后對(duì)照片進(jìn)行逐像素匹配運(yùn)算,進(jìn)而生成稠密點(diǎn)云,將點(diǎn)云中的三個(gè)點(diǎn)連接生成三角網(wǎng),形成初步模型,然后對(duì)模型進(jìn)行平滑處理得到最終模型,將模型對(duì)應(yīng)的照片的紋理信息映射到模型上,生成三維實(shí)景模型,具體如圖1所示。

圖1 三維實(shí)景模型

3.2 FLAC3D模型

1)FLAC3D軟件介紹

FLAC3D是用于工程計(jì)算的大型三維顯式拉格朗日有限差分程序,能夠模擬計(jì)算巖體材料受力狀態(tài)下的各種力學(xué)行為。本次研究過(guò)程中,根據(jù)材料力學(xué)特征,圍巖和礦體均采用摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則,即

(1)

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——黏結(jié)力,MPa;

φ——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。

2)模型建立

在礦區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查、無(wú)人機(jī)實(shí)景復(fù)制的基礎(chǔ)上,綜合礦區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造和工程巖體分組,采用大型有限差分軟件FLAC3D,構(gòu)建了該礦山的真三維數(shù)值模型,對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采全過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。模型尺寸為3 800 m×3 800 m×900 m,具體如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型

數(shù)值模型中的應(yīng)力邊界條件按照地應(yīng)力測(cè)量得到的地應(yīng)力分布規(guī)律(式(2)～式(4))施加,模型側(cè)面限制水平移動(dòng),底部限制垂直移動(dòng)。模型中礦體與礦柱之間的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 模型垂直Y軸切面示意圖

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)力與垂直應(yīng)力的平均比值為2.42,最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的平均比值為1.49。平均最大主應(yīng)力方向?yàn)镹62.6°E。礦區(qū)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)主應(yīng)力隨深度變化的線(xiàn)性回歸方程為

SH=0.051 22H+5.158 21

(2)

Sh=0.031 04H+3.342 73

(3)

SV=0.028 19H

(4)

式中:SH——最大水平主應(yīng)力,MPa;

Sh——最小水平主應(yīng)力,MPa;

SV——垂直應(yīng)力,MPa

H——垂直深度,m。

3.3 力學(xué)參數(shù)

本研究計(jì)算所需的參數(shù)是在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,并通過(guò)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則折減之后獲得,能夠真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)性質(zhì),具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.4 設(shè)計(jì)方案與模擬步驟

1)開(kāi)采順序

設(shè)計(jì)對(duì)-324～-674 m之間的礦體進(jìn)行回采,以-494 m水平為界分為上部采區(qū)和下部采區(qū),上部采區(qū)礦體分為-380 m、-430 m、-490 m三個(gè)無(wú)軌開(kāi)采中段,下部采區(qū)礦體分為-550 m、-610 m、-670 m三個(gè)無(wú)軌開(kāi)采中段。上部和下部?jī)蓚€(gè)采區(qū)同時(shí)生產(chǎn),各采區(qū)均按從下往上開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)采。首采中段為-490 m中段和-670 m中段。

2)模型方案

盤(pán)區(qū)沿走向布置,長(zhǎng)度120 m,中段高度60 m,盤(pán)區(qū)內(nèi)垂直走向劃分采場(chǎng),5個(gè)采場(chǎng)組成一個(gè)盤(pán)區(qū)。為了得到最優(yōu)的盤(pán)區(qū)礦柱設(shè)計(jì)尺寸,將盤(pán)區(qū)礦柱的寬度設(shè)計(jì)為20 m、30 m、40 m以及34 m與26 m交替布置的四種情況,分別進(jìn)行模擬計(jì)算。在模型中布置垂直Y軸的剖面A-A′和垂直Z軸的剖面B-B′,具體如圖4所示。擬分析的A-A′剖面布置在穿過(guò)深部礦體正中央的位置;擬分析的B-B′剖面布置在-494 m水平。

圖4 模型剖面布置

3)模擬步驟

采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)是巖體力學(xué)行為與開(kāi)采歷史和開(kāi)采過(guò)程有關(guān),結(jié)合礦山地下開(kāi)采規(guī)劃方案,確定數(shù)值模擬的計(jì)算過(guò)程。

(1)計(jì)算在給定邊界力學(xué)與位移邊界條件下模型的初始狀態(tài)。

(2)模擬露天坑的形成過(guò)程,模擬掛幫礦的開(kāi)采過(guò)程。

(3)在盤(pán)區(qū)礦柱分別為20 m、30 m、40 m以及34 m和26 m間隔布置四種方案下,模擬地下開(kāi)采過(guò)程,分析研究地下開(kāi)采過(guò)程中預(yù)留礦柱及周邊巖體的穩(wěn)定性特征。

4 礦柱穩(wěn)定性分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

為研究盤(pán)區(qū)礦柱寬度對(duì)其穩(wěn)定性的影響,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,得到三種不同盤(pán)區(qū)礦柱寬度(20 m、30 m和40 m)方案下地下開(kāi)采后Y軸的剖面A-A′和水平剖面B-B′的塑性區(qū)分布及最大主應(yīng)力分布情況,具體如圖5至圖8所示。

圖5 地下開(kāi)采后A-A′剖面的塑性區(qū)分布

圖6 地下開(kāi)采后B-B′剖面的塑性區(qū)分布

圖7 地下開(kāi)采后A-A′剖面最大主應(yīng)力分布

圖8 地下開(kāi)采后B-B′剖面最大主應(yīng)力分布

數(shù)值模擬結(jié)果顯示,當(dāng)盤(pán)區(qū)礦柱寬為20 m時(shí),地下開(kāi)采結(jié)束后,礦柱處于高應(yīng)力狀態(tài),最大主應(yīng)力值約為23 MPa,處于塑性破壞狀態(tài);當(dāng)盤(pán)區(qū)礦柱寬為30 m時(shí),地下開(kāi)采結(jié)束后,礦柱處于高應(yīng)力狀態(tài),但未進(jìn)入塑性狀態(tài),盤(pán)區(qū)礦柱的最大主應(yīng)力值約為19 MPa,礦柱較好的保護(hù)了開(kāi)采區(qū)域的穩(wěn)定性;當(dāng)盤(pán)區(qū)礦柱寬為40 m時(shí),地下開(kāi)采結(jié)束后,礦柱處出現(xiàn)應(yīng)力集中,但未進(jìn)入塑性狀態(tài),盤(pán)區(qū)礦柱的最大主應(yīng)力值約為16 MPa,礦柱保護(hù)了開(kāi)采區(qū)域的穩(wěn)定性,但經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

綜合考慮三種盤(pán)區(qū)礦柱寬度方案下的模擬結(jié)果,認(rèn)為盤(pán)區(qū)礦柱寬度為30 m的方案優(yōu)于盤(pán)區(qū)礦柱寬度為20 m和40 m的方案。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了最優(yōu)化盤(pán)區(qū)礦柱的尺寸,盤(pán)區(qū)礦柱寬度設(shè)置為34 m與26 m交替變化方案下地下開(kāi)采后的塑性區(qū)分布及最大主應(yīng)力分布情況如圖9至圖12 所示。

圖9 地下開(kāi)采后A-A′剖面的塑性區(qū)分布

圖10 地下開(kāi)采后B-B′剖面的塑性區(qū)分布

圖11 地下開(kāi)采后A-A′剖面最大主應(yīng)力分布

圖12 地下開(kāi)采后B-B′剖面最大主應(yīng)力分布

當(dāng)盤(pán)區(qū)礦柱寬為34 m與26 m交替變化時(shí),地下開(kāi)采結(jié)束后,礦柱處于高應(yīng)力狀態(tài),但未進(jìn)入塑性狀態(tài),盤(pán)區(qū)礦柱的最大主應(yīng)力值約為18 MPa,礦柱較好的保護(hù)了開(kāi)采區(qū)域的穩(wěn)定性。相較于盤(pán)區(qū)礦柱均設(shè)置為30 m,礦柱的最大主應(yīng)力值基本不變。

綜合考慮上述幾種盤(pán)區(qū)礦柱寬度方案下的模擬結(jié)果,認(rèn)為盤(pán)區(qū)礦柱寬度為34 m與26 m交替的方案最優(yōu)。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)某露天礦山盤(pán)區(qū)礦柱的塑性分布和應(yīng)力場(chǎng)特征進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論。

(1)地下開(kāi)采盤(pán)區(qū)礦柱具有良好的承載作用,采用數(shù)值模擬方法,能夠反映多礦柱開(kāi)采工況時(shí)上覆巖層及礦柱自身的穩(wěn)定情況,是地下開(kāi)采礦柱設(shè)計(jì)的有利工具。

(2)盤(pán)區(qū)礦柱寬較小時(shí),礦柱處于相對(duì)較高應(yīng)力和塑性破壞狀態(tài);隨著礦柱寬度的增大,塑性破壞分布區(qū)域減少,最大主應(yīng)力值降低,礦柱較好的保護(hù)了開(kāi)采區(qū)域的穩(wěn)定性;從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,認(rèn)為盤(pán)區(qū)礦柱寬度為30 m的方案優(yōu)于盤(pán)區(qū)礦柱寬度為20 m和40 m的方案。

(3)采用盤(pán)區(qū)礦柱寬度34 m與26 m交替變化方案,礦柱處于高應(yīng)力狀態(tài),但未進(jìn)入塑性狀態(tài),礦柱能夠較好保護(hù)開(kāi)采區(qū)域的穩(wěn)定性,為最優(yōu)方案。