基于三維有限元的金山店鐵礦深部回采順序研究

張小義 張紅軍 王文杰

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室)

武漢鋼鐵集團(以下簡稱武鋼)金山店鐵礦經(jīng)過多年的地下開采，采礦作業(yè)場地和開拓工程已經(jīng)進入到礦體深部，采礦生產(chǎn)的主要作業(yè)點在－500m水平，開拓工程的深度達到近千米。隨著采礦深度的增加，地壓不斷加大，地壓顯現(xiàn)時常發(fā)生，巷道維護和回采工作面臨很大問題，在深部開采高地應力的條件下，即使對巷道進行加強支護和加固圍巖，巷道維護仍然很困難。本研究采用合理的回采順序，這樣可以改善巖體的應力分布狀態(tài)，控制隨著開采深度而升高的地壓和由于多次采動影響而造成的應力增高，使回采區(qū)域的應力合理分布，以收到改善回采區(qū)域和巷道維護狀況的效果［1-2］。

1 地質(zhì)概況及礦床賦存條件

張福山礦床的地層主要由三疊系中—上統(tǒng)及侏羅系中—下統(tǒng)地層組成。其巖性主要為石英砂巖、砂質(zhì)頁巖、細砂巖、粉砂巖等。另有少量三疊系中統(tǒng)灰?guī)r及下統(tǒng)大冶群第7段的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾灰質(zhì)白云巖。分布最為廣泛的地層是三疊系中—上統(tǒng)蒲圻群砂頁巖組合地層，分布于礦體上盤，成為礦體的直接頂板。受巖漿侵入時的接觸熱力變質(zhì)作用和交代變質(zhì)作用，砂頁巖變質(zhì)為各種角巖，灰?guī)r變質(zhì)為大理巖、矽卡巖。

張福山礦床共分布有大小100多個礦體，其中規(guī)模較大的礦體有Ⅰ～Ⅵ號礦體，尤以Ⅰ、Ⅱ號礦體規(guī)模最大，它們的儲量和占區(qū)內(nèi)探明鐵礦總儲量的90%以上。主要礦體在平面上大致呈北西西—東西向條帶狀，本次研究主要針對Ⅰ號礦體。Ⅰ號礦體西起 3線，東至 44線，東西長 2 690 m，走向NE77°—SE126°，傾向SE172°—SW203°，傾角50°～85°，賦存標高為110～1 100 m。按形態(tài)、產(chǎn)狀及厚度變化特征，分為東、西區(qū)。

2 有限元計算模型建立

2.1 研究對象

在深入研究金山店鐵礦礦床賦存條件的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件對金山店鐵礦張福山礦體及上下盤圍巖分別建立模型。在選取計算模型時，考慮到礦體走向長約2 km，為了減小邊界對礦區(qū)計算結(jié)果的影響，模型邊界距礦體為1.5倍礦體長度。主要研究范圍為－500 m水平到－600 m水平礦體的回采工作，分析各個回采步驟應力分布狀態(tài)，找出合理的地壓分布狀態(tài)，確定合理的回采順序，為之后的安全高效回采工作提供一定的理論依據(jù)。

2.2 巖體力學參數(shù)選取

巖體力學參數(shù)選取對數(shù)值模擬計算結(jié)果準確與否十分重要，通過對金山店鐵礦的地質(zhì)調(diào)查和工程歸類，確定研究模型的4類礦巖:上盤角頁巖、下盤石英閃長巖、礦體、塌陷體。在以往工程調(diào)查實驗確定的礦巖試塊力學參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究范圍內(nèi)各類巖體的結(jié)構(gòu)特征以及巖體的分級指標，通過工程處理后，得到了研究范圍內(nèi)的巖體的力學參數(shù)［3］。選取的具體參數(shù)見表1。

表1 金山店鐵礦礦巖力學參數(shù)

2.3 回采模擬方案確定

結(jié)合金山店鐵礦的深部礦床賦存條件以及礦體回采設(shè)計方案，將－500～－600 m礦體分為7個分段，分段高度14 m。結(jié)合現(xiàn)有的回采作業(yè)布置，將每個分段礦體沿走向劃分為3個回采區(qū)段。1、2、3，7個分段由上至下編號A－G，具體布置如圖1。

圖1 礦體回采區(qū)段編號

回采順序可概括為中央向兩翼、順序式、兩翼向中央3種。根據(jù)東區(qū)目前的回采作業(yè)情況，考慮到可能的現(xiàn)場實施計劃，采用順序式回采方案。為保持生產(chǎn)的持續(xù)均衡性，無底柱分段崩落法要求各分段之間連續(xù)回采，一般第2分段落后于第1分段回采裝運。按照要求，下一分段回采出礦時，礦巖的移動范圍不影響上一分段的回采工作，設(shè)計上下兩分段之間，同步錯開回采兩個區(qū)段，上一分段比下一分段提前回采1個區(qū)段［4］。設(shè)計方案由上到下，由西向東回采步驟如圖2～圖5所示。前2種為分段交錯式順序回采，后2種為分段獨立式順序回采。

圖2 方案一:西—東回采順序1

圖3 方案二:東—西回采順序1

圖4 方案三:西—東回采順序2

圖5 方案四:東—西回采順序2

3 計算結(jié)果分析與對比

根據(jù)初步確定的深部回采順序以及選定的礦巖力學參數(shù)，結(jié)合在研究金山店鐵礦深部礦床特征基礎(chǔ)上建立的三維模型，首先針對礦山開采現(xiàn)狀進行數(shù)值計算，然后就4種深部回采順序進行模擬分析。

3.1 各方案回采過程中主應力狀態(tài)及安全系數(shù)

表2～表5列出各步驟回采所在采場的水平分段最大、最小應力值，同時列出關(guān)鍵點安全系數(shù)。監(jiān)測關(guān)鍵點分布在采場中部和上下盤圍巖中。

方案一(表2)各步回采后采場的最大主應力總是表現(xiàn)為受壓效應，最大值為2.80～3.839 MPa。相對回采初期，第1步回采后，最大值減小。最后一步回采至－584 m水平，最大主應力在所有步驟中體現(xiàn)的壓應力最大，為3.839 MPa。采場最大主應力值一般出現(xiàn)在與礦體交界的采空區(qū)邊緣或與保安礦柱交接處，其值較為穩(wěn)定，各監(jiān)測點安全系數(shù)大于1.0，說明附近區(qū)域應力釋放最完全，此部位位移最顯著，同時最大值不超過2.2。

表2 方案一各步驟回采的分段應力、安全系數(shù)

方案二(表3)各回采步驟結(jié)束時采場最大主應力的最大值一般為3.00～3.70 MPa，表現(xiàn)為壓應力。相對回采初期，第1步回采后，最大值增大。這是由于此步回采遠離保安礦柱的保護支撐作用，使得圍巖應力值略有升高，最后一步回采至－584 m水平，最大主應力在所有步驟中體現(xiàn)的壓應力最大，為3.7 MPa。同方案一幾乎無差別。其他各步驟的最大主應力最值分布規(guī)律與方案一近似。最小主應力的最小值一般規(guī)律性分布在與采空區(qū)鄰接的偏下盤礦體。其浮動范圍較方案一稍小，在回采過程中的變化形式有所差別。在較大壓應力分布帶，仍存在顯著壓應力集中現(xiàn)象，在步驟3、5、6中最為嚴重。安全系數(shù)監(jiān)測值與方案一幾乎相同。

方案三(表4)各步回采結(jié)束時采場最大主應力都顯現(xiàn)為受壓效應，其最大值為2.80～3.80 MPa，步驟3、5略小于3.00 MPa，步驟9、10的最大值較高。最大值一般位于與礦體鄰接的采空區(qū)邊緣。最小主應力中最小值一般位于與采空區(qū)交界的偏下盤礦體，其值隨著回采深度的增加呈現(xiàn)出上升趨勢總體上與前兩方案基本相同。

表3 方案二各步驟回采的分段應力、安全系數(shù)

表4 方案三各步驟回采的分段應力、安全系數(shù)

方案四(表5)各步回采結(jié)束時采場最大主應力都顯現(xiàn)為受壓效應，其最大值為3.00～3.70 MPa，步驟5小于3.00 MPa，步驟9、10的最大值較高。最大值一般位于與礦體鄰接的采空區(qū)邊緣。最小主應力中最小值一般位于與采空區(qū)交界的偏下盤礦體，其值隨著回采深度的增加呈現(xiàn)出不規(guī)則的增加，總體上與前幾方案基本相同。其應力值、安全系數(shù)的分布及變化規(guī)律與方案二基本相同。

3.2 各方案的應力對比

根據(jù)表2～表5數(shù)據(jù)，分析主應力在回采過程中的變動情況。

表5 方案四各步驟回采的分段應力、安全系數(shù)

方案一采取2個連續(xù)分段聯(lián)合從西至東回采，整個回采過程中，采區(qū)及圍巖受壓為主。第1步區(qū)段回采后，最大壓應力明顯增大，開挖引起的壓應力主要集中于采空區(qū)與下盤圍巖的接觸帶，且較為顯著。隨著開挖深度的不斷增加，應力值逐步增加，但增加幅度減小，變化幅度由急變緩，相對穩(wěn)定。

方案二采取2個連續(xù)分段聯(lián)合從東至西回采。在第1步回采后，最大壓應力相對方案一小4 MPa多。在之后的回采過程中，最大壓應力值變化最為平穩(wěn)，在個別步驟中有所下降，整體上呈上升趨勢，且當完成整個回采過程時，達到了3.5 MPa，成為所有方案回采步驟中的最小值。

方案三改為分段獨立式由西至東順序回采。綜合比較，該方案在回采過程中最大壓應力變化與方案一基本相同。在步驟2、5、8中最大值低于方案一。

方案四由東至西順序逐個分段回采。該方案在回采過程中最小主應力變化與方案二基本相同，但最小主應力變動較方案二顯得不穩(wěn)定，跳躍幅度較方案二較大，最大壓應力值在步驟間的跳躍性明顯增強，但總體趨于平穩(wěn)。

經(jīng)由上述分析，可得按照應力變化的穩(wěn)定性，方案二為最優(yōu)方案;按照應力值最小原則，則方案四最優(yōu)。因為最大壓應力未超出相應巖體的抗壓強度極限，所以在整個回采過程中，首先應力變動應該較為平穩(wěn)，再進一步要求應力值處于較低水平。按照以上綜合要求，各方案的優(yōu)劣排序為:首選方案二，其次方案四，再其次方案三，最后方案一。

3.3 各方案的安全系數(shù)對比

安全系數(shù)的值增大，說明巖體穩(wěn)定性變好，大于1.0則表示巖體基本穩(wěn)定。由表2～表5可知各監(jiān)測點值均大于1，所以在整個回采過程中，最佳回采方案應以安全系數(shù)變化平穩(wěn)為首要選取條件，其次要求值要大，整體增大的變化趨勢為最好?；谝陨显瓌t，依據(jù)1#監(jiān)測點的安全系數(shù)排序為方案一、方案三、方案四、方案二，依據(jù)2#監(jiān)測點的排序為方案一、方案三、方案四、方案二，依據(jù)3#監(jiān)測點的排序為方案二、方案四、方案三、方案一。

對各點監(jiān)測值所做的方案排序賦予權(quán)重，并對優(yōu)劣排序用4位標度4、3、2、1定量化，以便于最終方案優(yōu)選。對各方案排序值加權(quán)求和，取綜合最大值所對應的方案為最優(yōu)，見表6。比較排序為首先方案二，其次方案四，再其次方案一，最后方案三。

表6 安全系數(shù)監(jiān)測值的方案排序

綜合應力對比分析和安全系數(shù)對比分析，確定方案二為最優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)金山店鐵礦深部回采宜采用方案二，即分段交錯式由東向西順序回采。此方案對金山店鐵礦深部礦體的開采是合理的，各步驟回采時分段水平應力分布合理，安全系數(shù)適宜，上下分段同時回采，有利于回采工作的安全高效持續(xù)進行。

(2)由于深部回采本身面對的高地應力，當?shù)V體被回采之后，成為塌陷體介質(zhì)的采空區(qū)抗壓強度成倍降低，將其壓應力向下盤圍巖以及未回采的礦體釋放，隨著整個水平被采空，在下盤圍巖形成局部壓應力集中。在回采過程中應注意下盤圍巖巷道與硐室的監(jiān)測與支護。

(3)深部回采在40勘探線附近容易出現(xiàn)應力集中，對此區(qū)域回采時，地壓管理手段要特別研究，加強此區(qū)域的巷道支護，采場參數(shù)優(yōu)化，卸壓回采等手段。深部地壓活動分布受礦體形狀的影響，在形狀扭曲處易出現(xiàn)應力集中。

(4)分析表明在回采過程，部分高地應力轉(zhuǎn)移到位于Ⅰ號礦體下盤的Ⅱ號礦體中，在后續(xù)研究中應注意研究回采Ⅱ號與Ⅰ號礦體回采之間的關(guān)系。在東區(qū)Ⅰ號礦體與Ⅱ號礦體之間，有40～100 m圍巖相隔，將高應力轉(zhuǎn)移到這一地帶，將有利于地壓管理，有利于安全高效生產(chǎn)。

(5)金山店鐵礦采用崩落法，管理地壓是通過崩落圍巖，在淺部回采時為有效的地壓管理方法，但進入深部開采后僅靠崩落圍巖已經(jīng)不能作為有效控制手段，建議在進入深部開采一定程度后研究充填法控制上部塌陷和地表移動以及高應力區(qū)。

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