某銅鐵礦二期工程采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

蘇先鋒，陳順滿

(1.北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司， 北京 101510；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

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某銅鐵礦二期工程采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

蘇先鋒1，陳順滿2

(1.北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司， 北京 101510；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

結(jié)合國(guó)內(nèi)某銅鐵礦開(kāi)采技術(shù)條件，對(duì)該礦區(qū)二期工程-620 m水平采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ牟蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，基于彈塑性理論，運(yùn)用ANSYS有限軟件建立三維數(shù)值模擬模型，采用“隔一采一”的方式對(duì)兩種不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案的礦房進(jìn)行開(kāi)采和充填，并對(duì)開(kāi)挖后的采場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變及安全系數(shù)分析。研究結(jié)果表明，隨著采場(chǎng)尺寸的減少，采場(chǎng)的應(yīng)力和應(yīng)變也相對(duì)減小。經(jīng)綜合分析對(duì)比，確定合理的礦房和礦柱尺寸均為8.3 m。

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǎ徊蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；有限元；數(shù)值模擬

0 引 言

某銅鐵礦位于湖北省黃石市，礦體自上到下賦存在-220～-720 m標(biāo)高之間，以50 m為一個(gè)中段水平，整個(gè)礦區(qū)分為一期、二期工程，其中-220～-420 m之間為一期工程，共4個(gè)開(kāi)采中段，-420～-720 m為二期工程，共6個(gè)開(kāi)采中段。礦區(qū)主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行開(kāi)采，局部難采地段采用淺孔留礦嗣后充填采礦法，隨著礦山的開(kāi)采，逐漸進(jìn)入到二期工程深部開(kāi)采階段，容易出現(xiàn)采場(chǎng)垮塌等現(xiàn)象，因此很有必要對(duì)該礦區(qū)二期工程采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ闹饕卸仙姐~礦，阿舍勒銅礦和安慶銅礦等[1-2]，這些礦山所采用的礦房礦柱尺寸為15～20 m，當(dāng)所采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)越大，回采的效率越高，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一系列的安全問(wèn)題。由于影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的因素眾多[3-6]，比如采場(chǎng)的暴露面積大小、巖性條件、采場(chǎng)暴露時(shí)間及施工因素等，在相同的巖性條件下，不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，會(huì)引起礦柱及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和變形不同，導(dǎo)致采場(chǎng)的穩(wěn)定性不同[7-9]，因此很有必要對(duì)合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，以保證礦山安全和高效開(kāi)采。

1 礦區(qū)地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件

主要研究對(duì)象為Ⅰ號(hào)銅鐵礦體，傾角75°～85°，平均厚度約40 m，9線以東受反“S”型主接觸帶構(gòu)造控制。走向近東西，長(zhǎng)900 m(3線～20線)，傾向北東。由西向東側(cè)伏，整個(gè)礦體賦存標(biāo)高+27～-720 m之間。

上盤為大理巖，下盤為花崗閃長(zhǎng)斑巖，局部為矽卡巖。大理巖整體性好，銅鐵礦石次之，花崗閃長(zhǎng)斑巖最差?；◢忛W長(zhǎng)斑巖在封閉的條件下強(qiáng)度較高，但一旦揭露，遇水之后會(huì)發(fā)生膨脹崩解，強(qiáng)度迅速降低。礦體與大理巖的接觸帶部位的巖體強(qiáng)度相對(duì)較低，但接觸影響寬度較小，而且結(jié)合比較緊密。礦體與花崗巖長(zhǎng)斑巖的接觸帶條件非常惡劣，巖體破碎，容易水解，穩(wěn)定性最差。

2 數(shù)值模擬模型的建立

2.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)初步方案選定

該銅鐵礦所采用的采礦方法是分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǎ壳暗牡V房礦柱寬度均為12.5 m，二期工程采場(chǎng)垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，以-620 m中段水平礦體為開(kāi)采研究對(duì)象，提出以下兩種方案。

(1) 方案一：采場(chǎng)垂直礦體走向布置，頂柱5 m，底柱8 m，礦房和礦柱寬度均為12.5 m，礦房長(zhǎng)度為礦體水平厚度，階段高度為50 m，采用礦房礦柱間隔布置形式，采用隔一采一的方式進(jìn)行回采，采完一個(gè)礦房之后立即進(jìn)行充填，圖1中的數(shù)字標(biāo)號(hào)為開(kāi)采步驟。

(2) 方案二：采場(chǎng)垂直礦體走向布置，頂柱5 m，底柱8 m，礦房和礦柱寬度均為8.33 m，礦房長(zhǎng)度為礦體水平厚度，階段高度為50 m，采用礦房礦柱間隔布置形式，采用隔一采一的方式進(jìn)行回采，采完一個(gè)礦房之后立即進(jìn)行充填，圖2中的數(shù)字標(biāo)號(hào)為開(kāi)采步驟。

圖1 方案一采場(chǎng)布置

圖2 方案二采場(chǎng)布置

2.2 模型建立

為了使選取的模型合理，計(jì)算誤差小，需選取較大的研究范圍，劃分相對(duì)較小的單元，但對(duì)計(jì)算的性能要求較高，為了建立比較合理的三維模型，根據(jù)圣維南原理[10-11]，采場(chǎng)回采會(huì)對(duì)周圍3～5倍的圍巖產(chǎn)生影響，同時(shí)使建立的模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更加接近，整體模型所選取的尺寸為采場(chǎng)高度、寬度和長(zhǎng)度的3～5倍，以垂直礦體走向?yàn)閄軸方向，模型的高為Y軸方向，Z方向范圍為-520～-720 m，建立的模型的尺寸為330 m×180 m×300 m。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過(guò)程中，利用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS14.5為數(shù)值模擬工具，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)模型及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，確定開(kāi)采研究對(duì)象，建立三維數(shù)值模型?？紤]到計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的要求，根據(jù)研究對(duì)象的范圍研究區(qū)域重點(diǎn)不同及所建立網(wǎng)格的類型等不同，上盤、下盤單元采用4 m×4 m×4 m的四面體單元進(jìn)行劃分，礦體單元采用1 m×1 m×1 m的四面體單元進(jìn)行劃分。

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)的選取

本研究區(qū)域的巖體主要為上盤大理巖，下盤花崗閃長(zhǎng)斑巖，局部為矽卡巖等，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到巖石的力學(xué)參數(shù)，而現(xiàn)場(chǎng)的巖體與實(shí)驗(yàn)室測(cè)得巖石力學(xué)參數(shù)有一定得差距，本文采用經(jīng)驗(yàn)折減法、EHoek法、系數(shù)換算法等對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了一定程度的弱化，得到某銅鐵礦采場(chǎng)巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示[12-13]。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.4 邊界條件

對(duì)左右兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為X=0水平約束，對(duì)前后兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為Y=0的水平約束，由于所計(jì)算的模型的Z方向范圍為-520～-720 m，地表標(biāo)高為38 m左右，因此在頂部施加上覆巖層的自重應(yīng)力，為15 MPa左右，在設(shè)置底部邊界條件時(shí)，在底部施加水平和豎直方向的約束，且初始位移均為零，同時(shí)對(duì)整個(gè)模型施加自重應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算過(guò)程中首先對(duì)邊界的初始位移清零，再開(kāi)始計(jì)算。

2.5 破壞準(zhǔn)則

某銅鐵礦礦區(qū)主要由大理巖，石英巖、閃長(zhǎng)巖等巖性巖石組成，均為彈塑性巖體，因此莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則適應(yīng)于對(duì)該礦區(qū)的巖體進(jìn)行模擬，其力學(xué)模型為[14]：

式中：σ1——巖體最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——巖體最小主應(yīng)力，MPa；

φ——巖體內(nèi)摩擦角，°；

fs——破壞判斷系數(shù)，當(dāng)fs≤0時(shí)，材料處于彈性變形階段，當(dāng)fs≥0時(shí)，材料處于塑性流動(dòng)狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力分析

如圖3為方案一和方案二的最大、最小主應(yīng)力變化情況。隨著每個(gè)礦房的開(kāi)采，在礦房的頂板、底板及兩幫的頂角處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)對(duì)對(duì)應(yīng)的礦體進(jìn)行開(kāi)采，破壞了原有的應(yīng)力平衡，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，頂角或者底角的位置一般都是發(fā)生應(yīng)力集中的地方，且表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，隨著對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，應(yīng)力再次重新分布，頂角或者底角處的應(yīng)力集中程度相應(yīng)的會(huì)減少。

對(duì)比方案一和方案二在不同參場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的最大和最小主應(yīng)力變化情況，隨著礦房的開(kāi)采，頂、底板和兩幫都發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但所發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象程度不一樣，從圖4和圖5中可以看出兩種方案的最大、最小主應(yīng)力變化情況，方案一的最大主應(yīng)力最大值變化范圍為9.3882～10.496 MPa，最小主應(yīng)力受壓的變化范圍為47.215～48.533 MPa，方案二的最大主應(yīng)力最大值變化范圍為7.4967～9.7782 MPa，最小主應(yīng)力受壓的變化范圍為36.696～43.038 MPa，可見(jiàn)方案二產(chǎn)生的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均小于方案一產(chǎn)生的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，因此方案二優(yōu)于方案一。

圖3 不同方案最大和最小主應(yīng)力

圖4 最大主應(yīng)力變化

圖5 最小主應(yīng)力變化

3.2 應(yīng)變分析

從圖6中可以看出，在礦體開(kāi)采過(guò)程中，最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變的最大值也都發(fā)生在頂角或者底角交叉的位置，當(dāng)對(duì)對(duì)應(yīng)的礦體進(jìn)行開(kāi)采，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)會(huì)遭到破壞，應(yīng)力將會(huì)重新分布，頂角或者底角的位置會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，表現(xiàn)出較大的應(yīng)變，隨后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，應(yīng)力再次進(jìn)行重新分布，應(yīng)力集中部位的應(yīng)力得到釋放，應(yīng)變變小。

對(duì)圖7和圖8中的主應(yīng)變進(jìn)行分析，在兩種不同的參場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，頂板的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變的最大值均是隨著開(kāi)采和充填的進(jìn)行不斷發(fā)生變化。方案一的最大主應(yīng)變最大值變化范圍為0.000475～0.000604，最小主應(yīng)變的變化范圍為0.002349～0.002921 m/m，方案二的最大主應(yīng)變最大值變化范圍為0.000431～0.00045 m/m，最小主應(yīng)變的變化范圍為0.001835～0.0023712 m/m，可見(jiàn)方案二的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變均小于方案一產(chǎn)生的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變，因此方案二優(yōu)于方案一。

3.3 安全系數(shù)分析

圖9為不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下礦房開(kāi)采之后安全系數(shù)變化情況，方案一的最小安全系數(shù)變化范圍為0.94771～0.97426，方案二的最小安全系數(shù)變化范圍為1.0729～1.2536。且各個(gè)方案的安全系數(shù)的最小值是隨著礦房開(kāi)采與充填量的增加，最小安全系數(shù)值基本是呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。對(duì)比方案一和方案二的安全系數(shù)變化情況，方案一的最小安全系數(shù)均小于1.0，為不穩(wěn)定狀態(tài)，而方案二的最小安全系數(shù)值均大于1.0，相對(duì)較穩(wěn)定，因此方案二優(yōu)于方案一。

圖6 不同方案最大和最小主應(yīng)變

圖7 最大主應(yīng)變變化

圖8 最小主應(yīng)變變化

圖9 安全系數(shù)變化

4 結(jié) 論

(1) 隨著礦體的開(kāi)采，破壞了原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，在采空區(qū)頂角和底角處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著采空區(qū)的充填，在頂角處的應(yīng)力和應(yīng)變集中程度會(huì)相應(yīng)的有所降低，表明充填體能夠?qū)Σ蓤?chǎng)的變形有緩解作用，因此在開(kāi)采中應(yīng)加快出礦速度，及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。

(2) 由于原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被礦體的開(kāi)挖所打破，采場(chǎng)頂板、底板受高垂直、水平應(yīng)力所擠壓，在采場(chǎng)頂板、底板以外形的圍巖區(qū)域成應(yīng)力等值線拱，隨著遠(yuǎn)離空區(qū)，拱徑逐漸變大，而應(yīng)力集中程度逐漸減小。方案二產(chǎn)生的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均小于方案一產(chǎn)生的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，同時(shí)方案二產(chǎn)生的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變也小于方案一產(chǎn)生的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變，因此方案二優(yōu)于方案一。

(3) 從安全系數(shù)角度而言，方案一的最小安全系數(shù)均小于1.0，為不穩(wěn)定狀態(tài)，而方案二的最小安全系數(shù)值均大于1.0，相對(duì)較穩(wěn)定，方案二優(yōu)于方案一，因此建議的合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦房礦柱寬度均為8.33 m。

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??潮鐵礦殘礦合理開(kāi)采方案研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2015.(

2016-01-25)

蘇先鋒(1967-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦囿w充填與采礦工藝，Email:suxianfeng@jchxmc.com。