不同礦體厚度二步驟空場嗣后充填采場寬度優(yōu)化研究

莫靜,曹易恒,田長林,張然

(江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦,江西 瑞昌市 332204)

0 引言

采場結構參數(shù)的選取是否合理,是決定回采是否安全的關鍵前提之一[1]。眾多專業(yè)技術人員采用數(shù)學計算方法或數(shù)值模擬等方式對采場的結構參數(shù)開展了成效顯著的研究。任紅崗等[2]利用層次法構建評價指標體系,對每一層次的各要素進行比較,實現(xiàn)分段空場嗣后充填采礦法的采場結構參數(shù)的定性和定量綜合評價;胡建華等[3]針對采場結構參數(shù)各評價指標之間的線性關系不明確問題,基于KPCA降低指標數(shù)量和維度,并用PCA 驗證對比評價結果,顯著提高了采場結構參數(shù)優(yōu)化結果的科學性;萬串串、趙興東、王金波等[4-6]綜合采用Barton采場寬度經驗公式、Lang B臨界跨度和WANG J神經網絡圖表法計算確定采場極限跨度,并采用Mathews穩(wěn)定圖法優(yōu)化采場結構參數(shù);黃明清等[7]采用FLAC2D軟件在二維平面上模擬采場開挖活動,對緩傾斜中厚礦體空場嗣后充填法的采場結構參數(shù)進行了優(yōu)化研究。隨著軟件的發(fā)展,三維數(shù)值模擬研究方法逐漸被更多的學者采用,研究了階段空場嗣后充填法采場、分段空場嗣后充填采礦法采場、不良充填體二步驟采場等回采區(qū)域的采場結構參數(shù),成果顯著[8-13]。

某鐵礦有3個礦床,為了滿足回采安全和平衡生產需求,在考慮開采技術條件和開采現(xiàn)狀的基礎上,選擇進路充填法與分段鑿巖階段空場嗣后充填聯(lián)合采礦法。一步驟采場采用進路充填采礦法,二步驟采場采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。該礦礦體厚度在10～50 m 之間,由于變化大,二步驟采場的寬度難以統(tǒng)一,為了制定合理的采場結構參數(shù),保證安全開采,兼取良好的技術經濟效果,需要對二步驟采場的具體寬度進行優(yōu)化研究。

1 二步驟采場寬度優(yōu)化研究方案

該鐵礦3個礦床在礦區(qū)平面范圍內可互相連為一體,主礦體厚度在10～50 m 范圍內變化,礦體傾角為10°～50°,礦權開采深度為－140～－700 m,礦體穩(wěn)定性中等至差,圍巖多為Ⅳ至Ⅴ級,穩(wěn)定性差至不穩(wěn)定。

該礦分兩步驟回采,一步驟采用進路充填采礦法,二步驟采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法,一步驟采場寬為12～15 m,二步驟采場寬為12～15 m,沿礦體走向布置采場,盤區(qū)寬度為72～90 m,每個盤區(qū)劃分為3個一步驟采場和3個二步驟采場,采礦方法示意見圖1。

1.1 模型的建立

通過對采區(qū)礦體賦存特點的簡單統(tǒng)計分析,依據(jù)進路充填法與分段中深孔嗣后充填聯(lián)合采礦法的技術特點,建立單階段礦體模型,階段高50 m,傾角為30°,考慮到3個礦體的平均厚度均為10～50 m,因此本研究選取礦體厚度分別為20 m、30 m 及40 m 三種情況進行對比分析,模擬埋深為550 m,共建立9個模型,模型長×寬×高均為1440 m×630 m×750 m,對比分析方案模型編排見表1。數(shù)值計算三維模型和采場布置如圖2和圖3所示。

表1 對比分析方案模型編排

圖2 數(shù)值計算三維模型

圖3 采場布置

1.2 本構模型與力學參數(shù)

采用摩爾-庫侖力學模型,模型前后左右及下邊界為固定位移約束,上表面為自由面,重力方向為Z軸負向。由于頂?shù)装鍑鷰r及層間夾石的巖性種類較多,巖性變化復雜,逐一呈現(xiàn)各圍巖巖性過于復雜,因此適當簡化得到礦體和圍巖及充填體力學參數(shù),具體見表2。

表2 礦體、圍巖和充填體力學參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合采礦方法回采技術的特點,結合對比分析方案的編排,為盡可能模擬礦體“采充”循環(huán)向下發(fā)展過程中應力、應變的疊加演變,沿走向布置3個盤區(qū),模擬進行中間盤區(qū)的23次開采充填循環(huán)。

2 模擬結果分析

因篇幅限制,本文僅列出模型4、模型5、模型6的數(shù)值模擬計算結果,其余模型的對應結果以數(shù)據(jù)表格的形式呈現(xiàn)。

2.1 主應力分析

2.1.1 最小主應力分析

盤區(qū)二步驟采場開采后,一步驟進路采場充填體的最小主應力為負值,表現(xiàn)為壓應力;二步驟采場頂?shù)装搴蛧鷰r的大部分區(qū)域最小主應力為正值,表現(xiàn)為拉應力。大部分受拉區(qū)域的拉應力小于圍巖的抗拉強度,模型4、模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力分別為0.38 MPa、0.42 MPa、0.44 MPa,模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力接近抗拉強度,此處有較大可能會發(fā)生拉破壞。3個模型二步驟采場開挖后最小主應力分布特征如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 模型4二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

圖5 模型5二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

圖6 模型6二步驟采場開挖后最小主應力分布特征

2.1.2 最大主應力分析

盤區(qū)二步驟采場開采后,一步驟進路采場充填體內的最大主應力為負值,表現(xiàn)為壓應力,模型10、模型11、模型12一步驟進路采場充填體內最大壓應力分別為2.5 MPa、4.0 MPa、6.0 MPa。隨著二步驟采場寬度的增大,最大主應力分布(紅色部分,見電子版)在一步驟采場充填體內往兩邊擴散,中間區(qū)域開始出現(xiàn)數(shù)值更大的淺紅色的數(shù)值云圖,說明一步驟采場充填體承擔的壓應力越來越大,且在充填體內中間部分承壓最大,而且采場頂?shù)装搴蛧鷰r的最大主應力也逐漸增大。3個模型二步驟采場開挖后最大主應力分布特征如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 模型4二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

圖8 模型5二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

圖9 模型6二步驟采場開挖后最大主應力分布特征

2.2 豎向位移分析

模擬開采完整個盤區(qū)后,模型10、模型11、模型12盤區(qū)的頂部和上盤有沉降,沉降量最大處位于盤區(qū)礦體的上盤中部,其值分別為110.4 mm、117.0 mm、118.0 mm;底部和下盤有鼓脹,底鼓量最大處位于盤區(qū)礦體的下盤中部,其值分別為83.1 mm、89.6 mm、96.5 mm,最大沉降量和最大鼓脹量隨著二步驟采場寬度的增加而增大。3個模型二步驟采場開挖后豎向位移分布特征如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 模型4二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

圖11 模型5二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

圖12 模型6二步驟采場開挖后豎向位移分布特征

2.3 塑性區(qū)分析

盤區(qū)二步驟采場開采后,采場頂板存在剪切破壞和拉伸破壞,底板主要為拉伸破壞,側幫充填體主要為剪切破壞。上盤和下盤均存在剪切破壞和拉伸破壞,隨著二步驟采場寬度的增加,模型4、模型5、模型6當前狀態(tài)的塑性區(qū)體積分別為22 471.2 m3、31 881.5 m3、41 381.8 m3。

一步驟進路采場充填體主要發(fā)生剪切破壞,且剪切破壞區(qū)域幾乎完整覆蓋一步驟進路采場充填體,其原因是二步驟采場一次開采量過大,空場高度和跨度過大,使得一步驟采場的充填體承擔盤區(qū)內的主要壓力,而充填體的載荷能力和抗剪強度相較于礦巖小得多。這說明進行二步驟回采的時候,一步驟采場充填體剪切破壞嚴重,二步驟采場空場時一步驟采場充填體有垮塌風險,因此建議二步驟采場隔一采一。3個模型二步驟采場開挖后塑性區(qū)分布特征如圖13,圖14,圖15所示。

圖13 模型4二步驟采場開挖后塑性區(qū)分布特征

圖14 模型5二步驟采場開挖后塑性區(qū)分布特征

圖15 模型6二步驟采場開挖后塑性區(qū)分布特征

2.4 方案比較

礦體厚度為20 m 的模型1至模型3隨著二步驟采場寬度的增加,主應力、豎向位移、塑性區(qū)體積也隨之增大,采場生產安全性逐漸下降。綜合平衡考慮回采安全性和盤區(qū)生產能力要求,推薦礦體厚度20 m 的二步驟分段中深孔嗣后充填法采場寬度選取為12 m。

礦體厚度為30 m 的模型4至模型6隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,模型4的二步驟采場頂板最大拉應力低于首采層抗拉強度,差幅較大,塑性區(qū)面積最小,發(fā)生大面積塑性破壞的可能性較小;模型5、模型6的二步驟采場頂板最大拉應力接近首采礦層抗拉強度,塑性區(qū)面積大,此處有較大可能會發(fā)生大面積的拉伸破壞。綜合平衡考慮回采安全性和盤區(qū)生產能力要求,推薦礦體厚度30 m 的二步驟分段中深孔嗣后充填法采場寬度選取為10 m。

礦體厚度為40 m 的模型7至模型9隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,模型7的二步驟采場頂板最大拉應力低于首采礦層抗拉強度,塑性區(qū)面積最小,發(fā)生大面積塑性破壞的可能性較小;模型8、模型9的二步驟采場頂板最大拉應力大于首采層抗拉強度,塑性區(qū)面積大,此處有較大可能發(fā)生大面積塑性破壞。綜合平衡考慮回采安全性和盤區(qū)生產能力要求,礦體厚度為40 m 時,二步驟分段中深孔嗣后充填法采場推薦寬度為10 m。

各模型的數(shù)值模擬計算結果見表3。

表3 各模型數(shù)值模擬計算結果

3 結論

(1)二步驟采場頂?shù)装搴蛧鷰r的大部分區(qū)域最小主應力為正值,表現(xiàn)為拉應力,大部分受拉區(qū)域的拉應力小于圍巖的抗拉強度,隨著二步驟采場寬度的增加,一步驟進路采場充填體內的壓應力數(shù)值也隨之增大。

(2)盤區(qū)二步驟采場開采后,采場頂板存在剪切破壞和拉伸破壞,底板主要為拉伸破壞,上盤和下盤均存在剪切破壞和拉伸破壞,一步驟進路采場充填體主要發(fā)生剪切破壞。

(3)隨著二步驟采場寬度的增加,采場回采安全性逐漸下降,綜合平衡考慮回采安全性和盤區(qū)生產能力要求,推薦礦體厚度20 m 的二步驟采場寬度為12 m,礦體厚度30 m、40 m 的二步驟采場寬度為10 m。