基于FLAC3D的某鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

田 敏 胡 崴

(1.安徽大昌礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

采場頂板是礦山主要的危險源之一，而采場頂板的穩(wěn)定性是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受多種因素共同影響[1-2]。某鐵礦地處平原地區(qū)，地形較為平坦，平均海拔高度為100 m。礦區(qū)巖石的節(jié)理裂隙均不甚發(fā)育，為致密塊狀，其間的節(jié)理裂隙多被石膏和方解石細(xì)脈充填，一般脈寬2～4 mm，與巖層斜交，局部為網(wǎng)狀穿插，礦石裂隙率較低，為中等-很堅固的巖石。礦體圍巖主要為磁鐵角閃巖和磁鐵云母片巖等，礦體中夾石巖性與圍巖一致。礦體緩傾斜,采用上向分層充填采礦法回采,隨著開采深度不斷增大,采場頂板穩(wěn)定性問題逐漸顯現(xiàn),給頂板暴露面下作業(yè)人員及設(shè)備的安全造成極大的威脅。

本文通過數(shù)值模擬手段，分析研究該鐵礦開采過程中采場頂板的穩(wěn)定性，從而確定采場最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山設(shè)計及生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 模型建立

本次模擬-400 m水平礦體，所建模型標(biāo)高范圍為-400～-300 m，為模擬上覆巖層的自重應(yīng)力對計算模型的作用，在模型頂部施加均布荷載[3]。模型長360 m，寬300 m。見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

2 礦巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)特征、巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計算的要求，經(jīng)歸類及工程處理后，考慮了上盤、下盤和礦體3種力學(xué)介質(zhì)，分別為均質(zhì)混合巖、角閃片麻巖及磁鐵礦石，礦巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

田 敏(1984—)，男，助理工程師，237400 安徽省霍邱縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬計算方案

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件，模擬開采過程中頂板圍巖、礦柱的穩(wěn)定性及采場充填后圍巖應(yīng)力變化。針對相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填法，模擬不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案，確定最佳的進(jìn)路寬度及分層高度。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù) m

4 模擬計算結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力變化情況

通過模擬分析得出不同進(jìn)路寬度和分層高度下開采與充填過程的應(yīng)力和位移云圖。限于篇幅，本文僅以采場進(jìn)路長度為50 m，采場進(jìn)路寬度為5 m，采場進(jìn)路分段高度為上分層高度3.5 m，下分層高度4.5 m為例，說明開采和充填過程中的應(yīng)力變化情況。其中，一步驟上分層和下分層開采后的應(yīng)力等值線云圖見圖2?？梢钥闯?，受拉區(qū)域主要位于采場頂?shù)装?，最大拉?yīng)力約0.75 MPa，礦柱中產(chǎn)生壓應(yīng)力集中。下分層礦體開挖后，采場兩幫出現(xiàn)小范圍拉伸區(qū)域，最大拉應(yīng)力區(qū)域仍位于頂部和底部，頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力有所增大，約1.02 MPa。

圖2 一步驟開挖最大主應(yīng)力等值線云圖

一步驟開挖完畢即進(jìn)行充填，充填完成后的最大主應(yīng)力等值線云圖見圖3?？芍?，采場頂?shù)装?、兩幫及充填體處于受拉狀態(tài)，與一步驟上下分層開挖時相比，最大拉應(yīng)力有所減小。可見充填可改善頂?shù)装宓氖芾闆r，減小冒頂及底鼓的產(chǎn)生。

充填完畢進(jìn)行二步驟礦體開挖,二步驟開采時最大主應(yīng)力等值線云圖見圖4?？芍诓蓤鲰敯迳喜考跋虏慨a(chǎn)生整片連續(xù)的拉伸區(qū)域，且頂板最大拉應(yīng)力值較一步驟開挖時有所增大，因此，在二步驟開采過程應(yīng)加強(qiáng)對拉應(yīng)力集中區(qū)頂板的支護(hù)。

圖3 一步驟充填最大主應(yīng)力等值線云圖

圖4 二步驟開挖最大主應(yīng)力等值線云圖

4.2 采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化

不同參數(shù)組合下頂板最大拉應(yīng)力值的變化情況見圖5?？梢钥闯?，不同的參數(shù)組合模型頂板最大拉應(yīng)力值均隨著一步驟開采與充填逐步降低，但當(dāng)二步驟開采時，頂板最大拉應(yīng)力值顯著提高，最大值為1.3MPa左右，后隨著開采與充填逐步降低。這表明，二步驟開采較一步驟開采更易產(chǎn)生拉伸破壞而導(dǎo)致頂板垮落，充填可有效降低拉應(yīng)力集中，從而保護(hù)頂板。采場寬度一定時，下分層高度越大，頂板拉應(yīng)力值越小，因此，下分層高度選用4.5m。當(dāng)分層高度一定時，采場寬度越大，頂板拉應(yīng)力值越大，而在確保頂板受拉應(yīng)力較小，不產(chǎn)生拉伸破壞的前提下，應(yīng)避免回采過程中頂板拉應(yīng)力值發(fā)生較大幅度變化。當(dāng)采場寬度為4m，下分層高度為4.5m時，一步驟上分層與下分層開挖過程中，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力突變，采場寬度為5m和6m

時，一步驟開挖過程中，應(yīng)力變化相對較小，考慮采場寬度為5 m時產(chǎn)生的拉應(yīng)力值更小，因此，選取進(jìn)路寬度為5 m。

圖5 頂板最大拉應(yīng)力變化值

5 結(jié) 論

礦山采用相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填法開采，通過對開采過程模擬分析可知，一步驟開采過程中頂板所產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，頂板穩(wěn)定性情況較好，充填可改善采場頂板的受力狀況，減少冒頂及底鼓的產(chǎn)生。二步驟回采時，頂板最大拉應(yīng)力較一步驟回采時有所增大，且接近巖體抗拉強(qiáng)度，頂板穩(wěn)定性情況較差，應(yīng)加強(qiáng)對采場頂板的監(jiān)測與支護(hù)工作。通過對6種不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬分析，確定礦山采場進(jìn)路寬度為5 m，上分層高度為3.5 m,下分層高度為4.5 m為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

[1] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：水利水電出版社，2009.

[2] 孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：水利水電出版社，2011.

[3] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.