基于3D-σ軟件的大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體穩(wěn)定性研究

邢志華 沙 斌 尚曉光 侯克鵬 王悅青

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院)

隨著開(kāi)采深度的增加，深部礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)所面臨的由巖體開(kāi)挖誘發(fā)的重大地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題越發(fā)突出[1-2]。自1738年英國(guó)的南斯塔福煤礦發(fā)生第一次巖爆事故以來(lái)，在南非、波蘭、加拿大、美國(guó)、瑞典及挪威等數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)的礦井相繼發(fā)生了巖爆災(zāi)害[3-7]。國(guó)內(nèi)撫順紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、凡口鉛鋅礦以及大同煤礦等二十多座礦井也相繼發(fā)生過(guò)巖爆災(zāi)害[8]?？梢?jiàn)，地壓活動(dòng)是制約地下工程特別是深部安全開(kāi)采的重要因素[9]。3D-σ是目前巖土工程界應(yīng)用較廣泛的一款數(shù)值模擬軟件[10]，具有計(jì)算精度高、對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和荷載形式有良好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)[11-15]。本研究基于3D-σ軟件，對(duì)大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，就地壓活動(dòng)區(qū)的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等狀況進(jìn)行分析研究，并對(duì)主礦體在不同開(kāi)采階段對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體開(kāi)采的影響程度進(jìn)行探討。

1 礦山概況

大紅山鐵礦礦床規(guī)模巨大，可分為淺部鐵礦、深部鐵礦、曼崗河北岸鐵礦、哈姆白祖鐵礦和Ⅰ#鐵銅礦帶5個(gè)地段。Ⅲ#、Ⅳ#礦體在深部主采區(qū)400萬(wàn)t/a工程的基礎(chǔ)上，采用平巷開(kāi)拓方式，利用南北采區(qū)斜坡道連接各回采分段。由上至下設(shè)置了480，460，440，420，400，380 m 6個(gè)主分段以及430，410，390，370 m 4個(gè)副分段?？傮w開(kāi)采順序是北部由下往上、中南部由上往下。采礦方法為空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，北部采用小分段空?qǐng)鏊煤髲U石加尾砂充填法進(jìn)行開(kāi)采，礦塊沿走向布置，礦塊長(zhǎng)50 m，礦房長(zhǎng)42 m，隔離礦柱礦體視厚度取8 m，分段高度10 m。礦房回采完畢后，應(yīng)及時(shí)封閉出礦進(jìn)路，并將掘進(jìn)廢石用20 t礦用卡車(chē)運(yùn)輸至上盤(pán)充填頂，經(jīng)充填小井最大限度地充填采空區(qū)，而后進(jìn)行全尾砂充填采空區(qū)。北盤(pán)區(qū)由370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4，380 m NH1、NH2、NH3盤(pán)區(qū)組成，現(xiàn)階段，370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4盤(pán)區(qū)已開(kāi)采完畢，其中370 m N2、N3，380m N4盤(pán)區(qū)已采用尾砂充填，380 m N2、N3盤(pán)區(qū)未充填。

2 模型構(gòu)建

大紅山鐵礦礦體分布較廣，為滿(mǎn)足計(jì)算需要和保證計(jì)算精度，本研究采用的模型大致與整個(gè)礦區(qū)的實(shí)際形態(tài)相同。根據(jù)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的實(shí)際形態(tài)以及與主礦體的關(guān)系，結(jié)合力學(xué)相關(guān)理論，構(gòu)建的三維有限元模型規(guī)格為3 000 m×1 500 m×1 300 m(長(zhǎng)×寬×高)，即沿礦體走向方向取3 000 m (X方向)，垂直于礦體走向方向取1 500 m(Z方向)，鉛垂方向取1 300 m(Y方向)。模型共有326 570多個(gè)節(jié)點(diǎn)，75 940個(gè)20節(jié)點(diǎn)三維等參元單元(圖1)。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算域邊界采取位移約束。由于采動(dòng)影響范圍有限，在距離采場(chǎng)較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小，可將計(jì)算模型邊界處的位移視為0。因此，計(jì)算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點(diǎn)采用X、Y、Z3個(gè)方向約束，XY平面采用Z方向約束，YZ平面采用X方向約束。在巖體破壞分析中，本研究采用摩爾-庫(kù)侖塑性破壞準(zhǔn)則。模型礦巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型礦巖體力學(xué)參數(shù)

由于本研究模擬分析之前，現(xiàn)場(chǎng)主礦體以及Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤(pán)區(qū)部分地段已開(kāi)采完畢，并對(duì)部分盤(pán)區(qū)采用了尾砂充填，因此本研究模擬采用與現(xiàn)場(chǎng)施工完全一致的開(kāi)采方法，即第1步對(duì)原始模型進(jìn)行模擬分析，形成初始應(yīng)力場(chǎng)；第2步按照礦山現(xiàn)狀對(duì)主礦體400 m水平以上礦體以及北盤(pán)區(qū)已采盤(pán)區(qū)進(jìn)行回采；第3步對(duì)經(jīng)過(guò)廢石充填的盤(pán)區(qū)進(jìn)行尾砂充填，在此基礎(chǔ)上，對(duì)北盤(pán)區(qū)礦體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；第4步對(duì)主礦體的不同開(kāi)采階段對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響程度進(jìn)行討論。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 原始模型分析

當(dāng)對(duì)模型不進(jìn)行任何開(kāi)挖、充填時(shí)，礦體中僅有自重應(yīng)力場(chǎng)作用，最大主應(yīng)力從模型頂部向下依次增大，最大主應(yīng)力線(xiàn)呈水平狀態(tài)，但在礦體所在位置，由于礦巖參數(shù)不同，在該處產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為-29.685 MPa(圖2)，模型中沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。整個(gè)模型位移由上至下依次減小，最大位移從模型上部的582 mm減小為模型底部的61 mm(圖3)。整個(gè)模型的安全率大于9.956(圖4)，模型中無(wú)塑性區(qū)出現(xiàn)。

圖2 原始模型最大主應(yīng)力等值線(xiàn)

圖3 原始模型垂直位移等值線(xiàn)

圖4 原始模型安全率等值線(xiàn)

3.2 Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤(pán)區(qū)穩(wěn)定性分析

結(jié)合礦山北盤(pán)區(qū)開(kāi)采的實(shí)際情況，由于開(kāi)采步驟較多，在此僅對(duì)北盤(pán)區(qū)開(kāi)采、充填后的最終結(jié)果進(jìn)行模擬分析。該步驟與現(xiàn)場(chǎng)一致，對(duì)370N2、370N3及380N4盤(pán)區(qū)進(jìn)行了充填，如圖5所示。

圖5 Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤(pán)區(qū)開(kāi)采模型

3.2.1 應(yīng)力分布

分析圖6、圖7可知：北盤(pán)區(qū)礦體完全開(kāi)采后，礦巖體受采動(dòng)影響，在開(kāi)挖體周?chē)鹆藨?yīng)力重新分布，盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板及礦柱的最大壓應(yīng)力分別為21.752 MPa和23.552 MPa，小于經(jīng)工程處理后礦體及變鈉質(zhì)熔巖的抗壓強(qiáng)度(41.8 MPa和41.5 MPa)，礦體開(kāi)采后頂板無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，此時(shí)采區(qū)頂板及礦柱穩(wěn)定性較好。

圖6 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后盤(pán)區(qū)頂板最大主應(yīng)力分布

圖7 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后礦柱及充填體最大主應(yīng)力分布

3.2.2 位移分布

分析圖8、圖9可知：整個(gè)北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板最大位移主要出現(xiàn)在盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板的中間部位，位移指向采空區(qū)，最大位移量為27 mm，礦柱的壓縮位移也為27 mm，整體位移相對(duì)較小，從位移分布來(lái)看，北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后盤(pán)區(qū)頂板及礦柱穩(wěn)定性較好。

圖8 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板垂直位移分布

圖9 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后礦柱和充填體垂直位移分布

3.2.3 安全率分布

安全率是指由摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則所決定的極限應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的比值，安全率為1時(shí)處于臨界狀態(tài)，且安全率越大，安全性越好(地下礦山安全率大于1.15時(shí)認(rèn)為是偏于安全的)。北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板及礦柱的安全率最小值分別為1.208、1.195(圖10、圖11)，整體安全率遠(yuǎn)大于1。由此可見(jiàn)，北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后礦柱及頂板整體穩(wěn)定性較好。

圖10 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板安全率分布

圖11 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后礦柱安全率分布

3.2.4 塑性區(qū)分布

由頂板及礦柱塑性區(qū)分布(圖12、圖13中深色區(qū)域)來(lái)看，采區(qū)頂板及礦柱存在零星的塑性區(qū)，且未出現(xiàn)連片現(xiàn)象，說(shuō)明頂板及礦柱局部受到破壞，但不影響整體穩(wěn)定。

圖12 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后頂板塑性區(qū)分布

圖13 北盤(pán)區(qū)開(kāi)采后礦柱和充填體塑性區(qū)分布

通過(guò)對(duì)應(yīng)力、位移、安全率和塑性區(qū)分布的綜合分析，北盤(pán)區(qū)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上將剩余盤(pán)區(qū)開(kāi)采后，頂板及礦柱整體穩(wěn)定性較好，沒(méi)有出現(xiàn)大的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，僅在局部存在塑性區(qū)，說(shuō)明頂板及礦柱會(huì)出現(xiàn)局部破壞，但不影響整體穩(wěn)定。

3.3 主礦體的不同開(kāi)采階段對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響

大紅山鐵礦主礦體位于Ⅲ#、Ⅳ#礦體東部，采用不留礦柱的無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，現(xiàn)階段已開(kāi)采至400 m水平，下一步將開(kāi)采370，340 m中段，考慮到對(duì)露天開(kāi)采的影響，大紅山鐵礦根據(jù)巖石移動(dòng)角，在主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間留了約200 m厚的保安礦柱。本研究對(duì)主礦體的不同開(kāi)采階段對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響程度進(jìn)行分析。

3.3.1 主礦體開(kāi)采至400 m水平

由主礦體開(kāi)采至400 m水平的數(shù)值模擬結(jié)果(圖14)可知：由于400 m水平主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體距離較遠(yuǎn)，2個(gè)區(qū)域的主應(yīng)力、位移等值線(xiàn)均單獨(dú)存在，沒(méi)有連在一起；雖然安全率等值線(xiàn)連在一起，但安全率都在4.914以上，說(shuō)明該階段主礦體開(kāi)采與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間幾乎不存在相互影響。

圖14 主礦體開(kāi)采至400 m水平時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.2 主礦體開(kāi)采至370 m水平(留保安礦柱)

分析圖15可知：主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體東盤(pán)區(qū)的距離約為200 m，距離較遠(yuǎn)，主應(yīng)力、位移等值線(xiàn)彼此不相連；安全率等值線(xiàn)雖然連在一起，但安全率都在4.909以上，說(shuō)明該階段在留設(shè)保安礦柱的前提下，主礦體開(kāi)采與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間幾乎沒(méi)有影響。

圖15 主礦體開(kāi)采至370 m水平時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.3 主礦體開(kāi)采至340 m水平(留設(shè)保安礦柱)

分析圖16可知：由于有保安礦柱的存在，主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體東盤(pán)區(qū)的距離沒(méi)有明顯變化，主應(yīng)力、位移等值線(xiàn)彼此不相連；雖然等值線(xiàn)連在一起，但最小安全率值(0.965)范圍較小，僅在主采區(qū)周?chē)》秶嬖?，往?、Ⅳ#礦體方向的安全率由2.896逐漸增大，表明該階段在留設(shè)保安礦柱的前提下，主礦體開(kāi)采至340 m水平時(shí)，對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響較小。

圖16 主礦體開(kāi)采至370 m水平時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

采用3D-σ軟件對(duì)大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體的開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，認(rèn)為現(xiàn)階段Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤(pán)區(qū)頂板及礦柱整體穩(wěn)定性較好，沒(méi)有出現(xiàn)大的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，盡管頂板及礦柱會(huì)出現(xiàn)局部破壞，但不影響整體穩(wěn)定，與礦山實(shí)際情況較吻合；在380 mN2、N3、N4盤(pán)區(qū)充填的基礎(chǔ)上，開(kāi)采380 m NH1、NH2、NH3盤(pán)區(qū)的地壓活動(dòng)強(qiáng)度小于不充填時(shí)的地壓活動(dòng)強(qiáng)度；在預(yù)留保安礦柱的前提下，主礦體開(kāi)采至 340 m 水平時(shí)不會(huì)對(duì)Ⅲ#、Ⅳ#礦體采區(qū)造成影響；由于礦體埋深較大(距地表約為1 000 m)，采區(qū)范圍大，且盤(pán)區(qū)暴露面積較大，建議在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)盤(pán)區(qū)頂板及礦柱進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步分析頂板及礦柱的受力情況，為礦體開(kāi)采提供可靠依據(jù)。