盤區(qū)礦柱回收與充填體穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

林 敏 袁慶盟 王謙源

(1.安徽省廬江龍橋礦業(yè)有限公司,安徽 合肥 231555;2.青島理工大學(xué)理學(xué)院,山東 青島 266033)

盤區(qū)礦柱是緩傾斜厚大礦體開采留設(shè)的工程結(jié)構(gòu)礦柱,同時(shí)也是重要的礦石資源。隨著充填開采技術(shù)的普及和發(fā)展,回采盤區(qū)礦柱開始受到重視。一些礦山企業(yè)對(duì)盤區(qū)隔離礦柱的回收進(jìn)行了具體實(shí)踐,湖南某白鎢礦[1]采用人工點(diǎn)柱替換原生礦柱的回采技術(shù),回收了54萬t礦山殘礦資源。河南某小型地下金礦[2]采用掏采方式,利用高強(qiáng)度膠結(jié)充填體包裹“П型礦柱”,采用中深孔分段小規(guī)模爆破回采間柱礦柱,礦柱回采率達(dá)87%。過江等[3]對(duì)冬瓜山銅礦-730 m以下的采場(chǎng)礦柱進(jìn)行了建模和求解,計(jì)算出礦壁寬度需大于3.5m,現(xiàn)場(chǎng)工程可取4m,能夠保證礦壁穩(wěn)定性;黨建東等[4]進(jìn)一步優(yōu)化了冬瓜山銅礦礦柱回采方案,采用由中間厚大部位向兩翼退采回收盤區(qū)礦柱的方法,每個(gè)隔離礦柱回采單元留置2m厚永久礦壁,礦柱回收率達(dá)到58%。天馬山金礦[5]針對(duì)Ⅱ號(hào)礦體5#礦柱預(yù)留了2 m厚礦柱護(hù)壁,抗傾覆安全系數(shù)達(dá)1.5,采場(chǎng)和護(hù)壁整體上均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)盤區(qū)隔離礦柱及采場(chǎng)的穩(wěn)定性分析,學(xué)者們多采用數(shù)值模擬方案進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6-10]結(jié)合礦山充填開采的具體情況,對(duì)隔離礦柱的回采順序、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采方案等進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬方法能夠有效描述和預(yù)測(cè)采場(chǎng)的力學(xué)響應(yīng)特征,可以為盤區(qū)隔離礦柱安全高效開采提供技術(shù)支持。

就隔離礦柱回采方案的具體實(shí)踐而言,核心問題是,礦柱回采過程中能否保證兩側(cè)充填體和頂板的穩(wěn)定性,降低礦石損失和貧化,這決定于充填體與圍巖的強(qiáng)度性質(zhì),盤區(qū)礦柱的設(shè)計(jì)參數(shù)、承壓能力、回采方法等多方面因素。本研究主要針對(duì)安徽龍橋鐵礦的充填開采實(shí)際,通過三維數(shù)值模擬,研究盤區(qū)礦柱回收的可行性方案。

1 工程背景和計(jì)算方案

1.1 工程背景

安徽龍橋鐵礦年產(chǎn)量300萬t/a,主要開采1號(hào)礦體。礦體厚2.73～43.27 m,平均16.22 m,傾角變化比較穩(wěn)定,一般15°～20°,TFe平均品位43.69%,磁性鐵(MFe)品位平均為36.52%。采用兩步驟分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?沿礦體走向按100m劃分為一個(gè)盤區(qū)。盤區(qū)寬為礦體的水平寬度,高為礦體豎直高度,盤區(qū)礦柱寬15 m。采場(chǎng)沿走向布置,長(zhǎng)度85 m,寬度15 m,高度為礦體豎直高度,中段高度為50 m,鑿巖分段高度12.5 m。

地質(zhì)數(shù)據(jù)資料表明,若僅進(jìn)行一二步回采,不對(duì)盤區(qū)間柱進(jìn)行回收,-420 m以上損失礦量將達(dá)到336.7萬t。除此之外,龍橋礦當(dāng)前采用充填配比整體偏高,用灰量大,充填成本較高。如何解決降低成本和提高資源回收率的矛盾,能否找到一個(gè)折中方案是亟需解決的重點(diǎn)問題。

1.2 計(jì)算方案

考慮到盤區(qū)礦柱回收顯然對(duì)二步驟礦房充填體的強(qiáng)度有著較高要求,設(shè)計(jì)2個(gè)盤區(qū)礦柱回收模擬計(jì)算分析方案:

方案一:盤區(qū)間柱全部回收。一步驟充填體28 d強(qiáng)度取1.5 MPa,二步驟充填28 d強(qiáng)度1.2 MPa。

方案二:盤區(qū)間柱回收2/3,留1/3做永久間柱,即15m的盤區(qū)間柱,回采10m,保留5m。考慮到礦柱寬度較小,兩側(cè)留設(shè)礦皮困難,也難以起到礦柱承載作用,采用單側(cè)留設(shè)礦柱、單側(cè)回采方式。該方案下,一步驟充填體28 d強(qiáng)度取1.5 MPa,二步驟充填28 d強(qiáng)度0.5 MPa。

2 計(jì)算模型與充填體模擬

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)取值

取x、y、z軸分別為傾向、走向和高度方向,在模型傾向方向上建立7個(gè)礦房,傾角取15°,走向上取2個(gè)盤區(qū)長(zhǎng)度,適當(dāng)擴(kuò)大模型作為邊界,俯視圖(xy平面)見圖1。利用ABAQUS的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)合理劃分網(wǎng)格單元,再導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算,建立的計(jì)算模型見圖2,模型寬度、長(zhǎng)度和高度分別為205、315、300 m。網(wǎng)格劃分方面,如圖3所示,模型中部的盤區(qū)礦柱劃分密集網(wǎng)格,采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元網(wǎng)格,向外逐漸稀疏并采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元,模型共1 572 602個(gè)單元,261 173個(gè)節(jié)點(diǎn)。固定模型底面和側(cè)面的法向位移,模擬采深大約525 m,模型頂面施加8 MPa均布荷載,相當(dāng)于約300 m高的上覆巖層壓力。

圖1 模型俯視圖(單位:m)Fig.1 Top view of model

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational model

圖3 內(nèi)部網(wǎng)格劃分Fig.3 Internal meshing of the model

采用莫爾庫(kù)倫模型,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),巖體及不同強(qiáng)度充填體的彈性模量E、泊松比μ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、密度ρ和抗拉強(qiáng)度σt等計(jì)算參數(shù)見表1。

2.2 充填體模擬

分析區(qū)域盤區(qū)礦柱兩側(cè)的充填體,根據(jù)礦塊合理開采充填順序形成:第一步同時(shí)回采充填一步驟礦房1、3、5、7,充填強(qiáng)度 1.5 MPa;第二步回采充填2、6號(hào)礦房,第三步回采充填4號(hào)礦房。其中,后兩步充填體強(qiáng)度有2個(gè)方案:方案一取1.2 MPa,方案二取0.5 MPa。根據(jù)實(shí)際接頂情況,每步充填中考慮一個(gè)2.0 cm的不接頂間隙。分析區(qū)域外圍充填體參照表1的一、二步充填體強(qiáng)度取均值。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physics and mechanics parameters of rock mass

由于本研究重點(diǎn)關(guān)注礦柱的不同回采方案對(duì)盤區(qū)穩(wěn)定性的影響,因此首先進(jìn)行了充填體全部形成的計(jì)算模擬,作為盤區(qū)礦柱回采的初始條件。以上三步形成充填體的計(jì)算分析表明:盤區(qū)礦柱回收前的穩(wěn)定性較好,只有零散塑性區(qū)域,圍巖變形不大,方案一和方案二最大下沉量位于盤區(qū)中部4號(hào)礦房區(qū)域,數(shù)值分別為1.5、2.0 cm,底鼓量均為0.5 cm。

3 全部回收礦柱模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 變形情況

圖4是盤區(qū)礦柱全部回收后位于盤區(qū)中部4號(hào)充填體剖面上的變形等值線圖(xy平面),圖4(a)顯示空區(qū)上方累計(jì)產(chǎn)生了約3.0 cm的漏斗式整體下沉位移,累計(jì)底鼓量為1.5 cm,所以因礦柱回收而新產(chǎn)生的下沉量為1.5 cm、底鼓量為1.0 cm。側(cè)向位移見圖4(b),可以看到,兩側(cè)充填體被擠壓至空區(qū),最大位移達(dá)到20 cm以上,量測(cè)得到影響范圍30 m。

圖4 方案一盤區(qū)位移等值線圖Fig.4 Contour of displacement of scheme 1

調(diào)取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),回采礦柱前,礦柱及其周邊充填體的橫向位移僅有0.6 cm,可以忽略不計(jì),因此可以認(rèn)為礦柱全部回采將會(huì)造成空區(qū)向內(nèi)30m深度的充填體產(chǎn)生變形,空區(qū)鼓起量達(dá)到32 cm。在實(shí)際工況中,可能表現(xiàn)為大面積的片幫、垮落,影響工程施工安全。

3.2 塑性區(qū)與應(yīng)力分析

考察三步驟4號(hào)充填體的塑性區(qū)情況,見圖5。盤區(qū)礦柱全部回收后,兩側(cè)充填體自下部向上部和深部延伸,形成近似V字形的破壞區(qū)域。

圖5 方案一盤區(qū)塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone of scheme 1

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):

(1)空區(qū)頂板和底板形成0.6 m深的拉破壞區(qū)域,可能表現(xiàn)為冒頂、底鼓。

(2)空區(qū)上下左右4個(gè)隅角均產(chǎn)生復(fù)合破壞,以剪切破壞為主,伴隨著一些拉破壞,可能表現(xiàn)為局部嚴(yán)重破碎。

(3)兩側(cè)充填體自下部向上,破壞程度逐漸增大。

(4)測(cè)量數(shù)據(jù)可知,如果不考慮充填體頂部的破壞,兩側(cè)充填體破壞深度最大為30 m,平均為19 m。

圖6(a)是方案一豎向應(yīng)力情況,在空區(qū)及其鄰近區(qū)域,形成了蝴蝶狀的卸壓區(qū),區(qū)域內(nèi)的充填體及圍巖因在應(yīng)力平衡過程中被破壞而無法繼續(xù)承擔(dān)荷載,因此應(yīng)力會(huì)向遠(yuǎn)處傳遞,量測(cè)到對(duì)頂板的影響高度達(dá)到74 m。圖6(b)是最小主應(yīng)力等值線圖,空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的拉應(yīng)力區(qū),結(jié)合圖5可知,在拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的充填體都受到較為嚴(yán)重的拉破壞。

圖6 方案一盤區(qū)應(yīng)力等值線圖Fig.6 Contour of stress of scheme 1

4 部分回收礦柱模擬計(jì)算結(jié)果

4.1 變形分析

圖7(a)是盤區(qū)礦柱部分回收后,在三步驟4號(hào)充填體剖面上的豎向位移云圖。分析可知,礦柱部分回采引起的下沉量小于方案一,可見留設(shè)永久礦柱對(duì)頂?shù)装逦灰破鸬胶軓?qiáng)的控制作用。圖7(b)是三步驟4號(hào)充填體的側(cè)向位移即鼓出量云圖,可以看到,最大鼓出量?jī)H為2.5 cm。

圖7 方案二盤區(qū)位移等值線圖Fig.7 Contour of displacement of scheme 2

同時(shí)可以看到,留設(shè)礦柱與相鄰充填體的壓縮量不同,充填體的變形量更大一些,而且很明顯地觀察到,空區(qū)一側(cè)的充填體變形大于永久礦柱一側(cè)的充填體。但由于留設(shè)礦柱對(duì)頂板下沉位移的限制,空區(qū)一側(cè)充填體的變形不大,約1.2 cm左右,能夠基本保證采場(chǎng)安全。

4.2 塑性區(qū)與應(yīng)力分析

圖8(a)是方案二永久礦柱的塑性區(qū)分布情況,圖8(b)則是三步驟4號(hào)礦房剖面上的塑性區(qū)分布情況(xz平面)。

圖8 方案二永久礦柱及盤區(qū)塑性區(qū)分布Fig.8 Distribution of plastic zone of scheme 2

(1)礦柱塑性區(qū)集中在外側(cè)邊緣,破壞類型為“tension-p”,即在應(yīng)力重分布過程中受到拉應(yīng)力而破壞,但再平衡之后拉應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度,這說明留設(shè)的礦柱基本能夠保持穩(wěn)定,僅在礦柱回采過程中有零星破壞。

(2)與盤區(qū)礦柱全部回收的情況(圖5)完全不同,空區(qū)一側(cè)充填體僅在下隅角有剪切破壞區(qū)域,但分布較為零散,未形成連續(xù)剪切破壞貫通區(qū);空區(qū)一側(cè)充填體上隅角也出現(xiàn)小范圍剪切破壞,但范圍不大,可見充填體整體能夠保持穩(wěn)定。

(3)在留設(shè)礦柱一側(cè)的充填體上部靠近礦柱區(qū)域,由于充填體和礦柱下沉不同在接觸區(qū)域產(chǎn)生摩擦和拖拽,引起充填體一定范圍的零星拉伸破壞,這對(duì)礦柱的穩(wěn)定性沒有影響。

圖9(a)是方案二永久礦柱在1～7號(hào)充填體剖面上的豎向應(yīng)力等值線圖,圖9(b)是最小主應(yīng)力等值線圖,其中大于0的部分(圖中紅色區(qū)域)為拉應(yīng)力區(qū)。

圖9 方案二盤區(qū)應(yīng)力等值線圖Fig.9 Contour of stress of scheme 2

不考慮應(yīng)力集中區(qū)域,分析發(fā)現(xiàn):

(1)由于未采礦體的支撐作用,自下往上,礦柱所受壓力逐步增大。靠近未采礦體的下部豎向應(yīng)力小于50 MPa,中部為50～60 MPa,上部緊鄰上部充填體處的壓力達(dá)到60～70 MPa。

(2)拉應(yīng)力在靠近上部充填體一側(cè)的變化較大,但總體影響范圍有限,且影響區(qū)內(nèi)的拉應(yīng)力大多小于礦柱抗拉強(qiáng)度,在礦柱外邊緣和中部也出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),但數(shù)值不大,小于1.5 MPa,因此礦柱不會(huì)大范圍地因拉破壞而失穩(wěn)。

(3)礦柱回采前,礦柱大部分區(qū)域的壓力介于40～50 MPa之間,部分回采后,留設(shè)的永久礦柱所受壓力有了一定程度的增加,特別是上部增加量較大,但從塑性區(qū)和拉應(yīng)力分布看,礦柱整體是穩(wěn)定的。

5 結(jié) 論

(1)全部回收礦柱方案雖然盤區(qū)二步驟礦房充填體強(qiáng)度較高,也無法避免充填體的大范圍破壞,還可能產(chǎn)生較大范圍的頂板垮落,回采礦柱的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

(2)部分回收礦柱,即單側(cè)回采10 m礦柱,留設(shè)5 m永久礦柱方案,雖然二步驟礦房充填體強(qiáng)度較低,但回采礦柱一側(cè)的充填體整體穩(wěn)定性良好,不至于發(fā)生較大范圍的垮塌現(xiàn)象。

(3)留設(shè)的5 m永久礦柱所受頂板壓力自下而上有了不同程度的增加,特別是靠近上部邊緣礦房處的壓應(yīng)力較高,但從塑性區(qū)和拉應(yīng)力分析,礦柱能夠保持整體穩(wěn)定性。

(4)上述模擬計(jì)算分析也表明:龍橋礦15 m的盤區(qū)礦柱單側(cè)回收10 m、保留5 m方案是可行的,礦柱和充填體均能保持穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算,礦柱回收率達(dá)到64.3%。