不同地質(zhì)條件下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

羊羽翔 付建新 宋衛(wèi)東

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

不同地質(zhì)條件下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

羊羽翔 付建新 宋衛(wèi)東

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

為了確定不同地質(zhì)條件下較為合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)不同礦巖穩(wěn)定性條件下的采場(chǎng)跨度進(jìn)行選擇與優(yōu)化。以程潮鐵礦西區(qū)作為研究的工程背景，采用簡(jiǎn)支梁理論、礦房寬度計(jì)算公式對(duì)合理跨度與臨界跨度進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同跨度參數(shù)的采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：礦巖條件為穩(wěn)固、中等穩(wěn)固、穩(wěn)固性較差時(shí)的礦房合理跨度分別為18.87、14.93、8.08 m。多礦房回采，位移及拉應(yīng)力的最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開(kāi)采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對(duì)礦房跨度也非常敏感。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算值相符，這表明數(shù)值模擬能很好地反映地下開(kāi)采的真實(shí)狀態(tài)，為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定提供依據(jù)。

采場(chǎng)跨度 數(shù)值模擬 地質(zhì)條件 最小主應(yīng)力 塑性區(qū)

對(duì)于礦山實(shí)際回采工作而言，合理的采場(chǎng)參數(shù)需根據(jù)不同礦山的不同開(kāi)采條件來(lái)確定，但即使在同一礦山的開(kāi)采范圍內(nèi)，也存在著不盡相同的地質(zhì)條件，因此同一礦山不同開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的采場(chǎng)參數(shù)也不能一概而論。合理的采場(chǎng)參數(shù)有利于提高采礦效率，而采場(chǎng)參數(shù)過(guò)大則會(huì)帶來(lái)安全隱患。

針對(duì)采場(chǎng)合理跨度的選擇前人做了很多研究，在合理跨度的理論計(jì)算方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)中的梁理論[1]將采區(qū)看作巖梁，計(jì)算時(shí)將其簡(jiǎn)化為平面彈性力學(xué)問(wèn)題，從而可以計(jì)算出采場(chǎng)最大允許的跨度。根據(jù)普通房柱法礦房寬度的計(jì)算公式[2]也能算出礦房的合理寬度。

在數(shù)值模擬實(shí)際開(kāi)采的研究中，主要使用的方法有有限單元法、離散單元法以及有限差分法等等。唐巨鵬等人[3]通過(guò)ansys軟件建立煤礦的開(kāi)采模型，計(jì)算了地表沉陷曲線和最大沉陷位置，指出了隨開(kāi)采推進(jìn)沉陷位移和影響范圍。付建新等人[4-7]通過(guò)FLAC3D軟件模擬了礦山回采過(guò)程，分析了開(kāi)采過(guò)程中的地壓?jiǎn)栴}，確定了合理的采場(chǎng)布置及開(kāi)采順序。

本研究以程潮鐵礦西區(qū)作為研究的工程背景，在已有礦巖穩(wěn)定性分級(jí)的成果上，考慮將程潮西區(qū)礦巖體劃分為好、一般、較差3種分類，并分別進(jìn)行礦房礦柱合理跨度的設(shè)計(jì)。首先運(yùn)用簡(jiǎn)支梁理論以及礦房寬度計(jì)算公式計(jì)算得出不同地質(zhì)條件下礦房礦柱的最大允許跨度，接著運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析采區(qū)內(nèi)的拉應(yīng)力、頂板位移以及塑性區(qū)分布的情況，對(duì)所選定的采場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以理論力學(xué)研究與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式，確定程潮鐵礦西區(qū)不同地質(zhì)條件下適宜的采場(chǎng)跨度參數(shù)。

1 采場(chǎng)允許跨度理論分析

1.1 礦區(qū)概況及及礦巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

程潮鐵礦是國(guó)內(nèi)特大型的金屬礦山，在-500 m水平以上采用分段高度17.5 m，進(jìn)路間距15 m的無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，在轉(zhuǎn)入-500 m以下開(kāi)采后考慮采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行開(kāi)采，在使用充填法試采的5采場(chǎng)中，采用了礦房寬度13 m，礦柱寬度7 m的采場(chǎng)布置參數(shù)，由于礦柱較窄而開(kāi)采形成的空區(qū)較大，出現(xiàn)了地壓顯現(xiàn)，錨噴支護(hù)層出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落等不安全現(xiàn)象。因此確定合適的采場(chǎng)參數(shù)顯得尤為重要，將直接影響到采礦的效率與安全。

RMR分類方法主要以巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、巖芯質(zhì)量指標(biāo)RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件、地下水情況等5個(gè)指標(biāo)作為評(píng)判的依據(jù)，將巖體劃分為非常好的巖體、好巖體、一般巖體、不好的巖體、非常不好的巖體5類，程潮鐵礦各巖體的具體分類情況見(jiàn)表1。

表1 主要礦巖穩(wěn)定性分類結(jié)果

由表1可知，總體圍巖處在中等穩(wěn)固到穩(wěn)固，對(duì)于具體礦段應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析。

1.2 不同地質(zhì)條件下采場(chǎng)跨度理論計(jì)算

由地質(zhì)條件的分析可知西區(qū)礦石的穩(wěn)固性較好，上下盤(pán)圍巖的穩(wěn)固性有一定差別。根據(jù)這些巖性分級(jí)的情況，考慮設(shè)計(jì)3個(gè)方案對(duì)不同礦巖穩(wěn)定性條件及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的采場(chǎng)圍巖破壞情況進(jìn)行研究。方案Ⅰ為礦體穩(wěn)固，上下盤(pán)圍巖穩(wěn)固性較差，考慮上下盤(pán)圍巖為蝕變矽卡巖、綠泥石化閃長(zhǎng)巖。方案Ⅱ?yàn)榈V體穩(wěn)固，上下盤(pán)中等穩(wěn)固，考慮上下盤(pán)巖體為鐵礦石、硬石膏、閃長(zhǎng)玢巖。方案Ⅲ為礦體與上下盤(pán)圍巖都穩(wěn)固，考慮上下盤(pán)圍巖為閃長(zhǎng)巖、花崗巖、大理巖等。各方案的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各方案力學(xué)參數(shù)

1.2.1 簡(jiǎn)支梁理論

場(chǎng)頂板可假設(shè)為兩端簡(jiǎn)支梁，根據(jù)材料力學(xué)，巖梁中性軸上、下表面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力為

(1)

式中，α為礦體傾角，(°)；l為巖梁跨度，m；h為巖梁高度，m；γ為巖體容重，kN/m3。

最大拉應(yīng)力發(fā)生在x=L/2+htanα/6處巖梁中性軸的下表面，最大拉應(yīng)力為

(2)

因此，頂板傾向的最大允許跨度為

(3)

頂板垂直走向的最大允許跨度為

(4)

式中,σt為巖體抗拉強(qiáng)度。

1.2.2 合理礦房礦柱寬度計(jì)算

對(duì)于階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采的采場(chǎng)，根據(jù)采場(chǎng)回采的安全保障及生產(chǎn)能力，可以確定礦房的寬度。在采場(chǎng)安全得到保障的情況下，礦房的寬度和高度越大，采場(chǎng)的生產(chǎn)能力也越大。礦房寬度計(jì)算式如下：

(5)

以方案Ⅲ為例，將H=500 m，γ=26.2 kN/m3，σt=4.1MPa代入式(5)中，可得階段嗣后充填采場(chǎng)的礦房寬度為L(zhǎng)=18.87m。

由于礦柱相應(yīng)參數(shù)一致，故礦柱合理寬度與礦房一致。

1.2.3 計(jì)算結(jié)果

將各方案的參數(shù)分別代入式(4)和式(5)，各方案的最大允許跨度見(jiàn)表3。

表3 各方案允許的空?qǐng)隹缍?/p>

從表3中可以看出，簡(jiǎn)支梁理論所計(jì)算的結(jié)果是相應(yīng)礦巖條件下的最大允許跨度，因而結(jié)果偏大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以合理礦房寬度的計(jì)算結(jié)果為參考，最大不能超過(guò)簡(jiǎn)支梁理論的計(jì)算結(jié)果。

2 采場(chǎng)跨度數(shù)值模擬分析優(yōu)化

2.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)與采場(chǎng)建模

為了研究不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下采場(chǎng)圍巖的破壞情況，驗(yàn)證理論計(jì)算的合理性，且考慮到程潮西區(qū)大部分的礦巖條件與方案Ⅱ接近，故在方案Ⅱ的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了3種數(shù)值模擬方案：方案1，礦房、礦柱寬度均為8 m；方案2，礦房礦柱寬度均為15 m；方案3，礦房、礦柱寬度均為18 m。

數(shù)值模擬的力學(xué)參數(shù)取值如表4所示。

表4 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)取值

模型示意圖如圖1所示。本次模擬計(jì)算選取了3個(gè)礦房開(kāi)采作為模擬對(duì)象，根據(jù)礦山生產(chǎn)的實(shí)際開(kāi)采流程(圖1中1～9)，一個(gè)礦房開(kāi)采結(jié)束并充填完畢后再進(jìn)行下一個(gè)礦房的開(kāi)采，同水平3個(gè)礦房依次開(kāi)采，通過(guò)數(shù)值模擬分析圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)變化規(guī)律。

圖1 回采順序(單位：m)

2.2 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

由圖2可知，開(kāi)采結(jié)束后，礦房二監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值最大，而兩側(cè)的礦房一和三則相差較小。進(jìn)行擬合可知，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，礦房二監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值呈指數(shù)增加，而兩側(cè)的礦房一和三則呈現(xiàn)線性增加。從圖2中可以看出，多礦房回采，最終最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開(kāi)采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。

圖2 各方案礦房最大沉降值

由圖3可知，礦柱頂板沉降值對(duì)礦房跨度非常敏感，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，不同方案礦柱頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均呈指數(shù)增加，且礦柱二位移偏大。

圖3 各方案礦柱最大沉降值

由巖體的力學(xué)性質(zhì)可知，巖體通常的抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度要小許多，因此在最大主應(yīng)力小于其抗壓強(qiáng)度的情況下主要考慮其最小主應(yīng)力中是否出現(xiàn)了拉應(yīng)力。圖4為不同開(kāi)采方案結(jié)束后，3個(gè)礦房頂板最小主應(yīng)力條形圖及其擬合曲線。由圖4可知，隨著跨度的增加，3個(gè)礦房頂板均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且隨跨度增加而變大，不同區(qū)域的礦房增加規(guī)律不同，中間區(qū)域的礦房二則呈對(duì)數(shù)增加，兩側(cè)則呈多項(xiàng)式增加。對(duì)比可知，方案2中，礦房三的拉應(yīng)力最小，說(shuō)明此時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)規(guī)律較小。綜合來(lái)看，方案1最小主應(yīng)力沒(méi)有明顯增加，之后開(kāi)始出現(xiàn)較大程度增加。

由圖5可知，隨著跨度的增加，3個(gè)礦房開(kāi)采并充填結(jié)束后中間礦柱處在塑性區(qū)的比例也就越大，即礦柱破壞也就越嚴(yán)重，最終回采并充填完畢后，圍巖的塑性區(qū)也就越大，尤其是開(kāi)采區(qū)域的上方。圖5顯示，方案1僅僅出現(xiàn)少量塑性區(qū)，方案2塑性區(qū)比方案1有所增加，而方案3礦柱中破壞區(qū)域大大增加，出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通的破壞狀態(tài)，造成后面回采礦柱時(shí)難度大大增加，因此不宜采用。

圖4 各方案頂板拉應(yīng)力值

圖5 各方案塑性區(qū)示意

綜合方案1、2及3，考慮程潮西區(qū)大部分區(qū)域礦巖穩(wěn)定性較好，屬于方案Ⅱ所描述的地質(zhì)類型，最終確定方案2為最優(yōu)方案，符合理論計(jì)算的結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，靈活調(diào)整參數(shù)，但最大不宜超過(guò)18 m。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)程潮西區(qū)礦巖穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果將礦區(qū)地質(zhì)條件歸納為3種方案，并根據(jù)簡(jiǎn)支梁理論與礦房寬度計(jì)算公式計(jì)算了各方案的礦房最大允許跨度以及合理跨度。礦巖條件穩(wěn)固時(shí)礦房合理跨度為18.87 m，最大允許跨度為30.22 m；礦巖條件中等穩(wěn)固時(shí)礦房合理跨度為14.93 m，最大允許跨度為26.93 m；礦巖條件穩(wěn)固性較差時(shí)礦房合理跨度為8.08 m，最大允許跨度為15.93 m。

(2)從數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看，多礦房回采，最終位移的最大值以及拉應(yīng)力的最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開(kāi)采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對(duì)礦房跨度也非常敏感。由塑性區(qū)可知，隨著礦房跨度的增加，塑性區(qū)也不斷增加，直至方案3礦柱中破壞區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通的破壞狀態(tài)，說(shuō)明方案3不宜采用。

(3)對(duì)比數(shù)值模擬與理論計(jì)算的結(jié)果可知，方案3礦房跨度18 m過(guò)大，產(chǎn)生了塑性區(qū)貫通破壞，而方案1礦房跨度8 m則影響實(shí)際生產(chǎn)的效率與開(kāi)采成本，15 m的礦房跨度即方案2為3個(gè)方案中的最優(yōu)方案，這與理論計(jì)算的合理跨度14.93 m相符。

(4)數(shù)值模擬相對(duì)于理論計(jì)算考慮的因素更多，結(jié)果更加直觀，而理論計(jì)算則可以確定計(jì)算結(jié)果的大方向，使數(shù)值計(jì)算的結(jié)果不至于偏離實(shí)際，因此理論計(jì)算結(jié)合數(shù)值模擬來(lái)確定礦塊參數(shù)提高了結(jié)果的可信度，更加接近工程實(shí)際。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Stope Structural Parameter Optimization under Different Geological Conditions

Yang Yuxiang Fu Jianxin Song Weidong

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

In order to determine the more reasonable stope structural parameters under different geological conditions,theoretical calculation and numerical simulation methods are adopted to select and optimize the stope width under different stability.With the western area of Chengchao Iron Mine as engineering background,the simply supported beam theory and the stope width calculation formula are used to calculate out the reasonable span and the critical span.And the stope stability under different stope width was analyzed by FLAC3Dsoftware.The results indicated that when rock keeps stable,moderately stable or less stable,the reasonable stope width needs to be 18.87 m,14.93 m and 8.08 m separately.In multi-stope mining,maximum displacement and tensile stress usually occurs in the middle of the area,and the increase of stope span can easily cause a rapid increase of maximum displacement.The subsidence of pillar roof also greatly impacted the stope span.The simulation results were consistent with the theoretical value,which indicates that the numerical simulation can well reflect the real state of underground mining,and provide the basis for determining stope structural parameters.

Stope width，Numerical simulation，Geological condition，Minimum principle stress，Plastic zone

2015-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51274023， 51374033)。

羊羽翔(1991—)，男,碩士研究生。通訊作者 宋衛(wèi)東(1966—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-029-04