某礦山急傾斜中厚礦體回采方案數(shù)值模擬研究

王永高，王建貴，楊八九

(1.云南錫業(yè)股份有限公司， 云南 個(gè)舊市 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司， 云南 昆明 650093)

礦產(chǎn)資源能否安全高效回采是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在回采過(guò)程中會(huì)受到礦山開(kāi)采的技術(shù)條件、礦體賦存條件、回采工藝等諸多因素的影響[1-2]。在開(kāi)采過(guò)程中，不同賦存條件下礦體的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序都是不一樣的。因此在礦體開(kāi)采之前，有必要對(duì)這一系列問(wèn)題進(jìn)行分析研究。本文采用數(shù)值模擬方法，研究不同賦存條件下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、礦柱合理尺寸及合理的回采順序?qū)Σ蓤?chǎng)圍巖應(yīng)力變化的影響[3]。

1 礦體概況

筆架山鐵礦是祿勸云川礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司下屬礦山，位于金沙江畔，江面標(biāo)高為950 m。目前主要采用露天開(kāi)采方式對(duì)1號(hào)礦體950 m以上進(jìn)行開(kāi)采，后期將采用地下開(kāi)采方式對(duì)2，3，8號(hào)礦體及1號(hào)礦體950 m以下部分進(jìn)行開(kāi)采。整體開(kāi)采順序從上至下。8號(hào)礦體賦存標(biāo)高最低為650 m，位于金沙江江面之下300 m。

筆架山鐵礦背斜北翼的2，3，8號(hào)礦體走向?yàn)镹52°～79°E，傾向SE，傾角80°。南翼的1號(hào)礦體走向?yàn)?N70°W，傾向 NE，傾角 79°，主要采用分段鑿巖階段垂直走向出礦空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采。采場(chǎng)沿礦體走向連續(xù)布置，長(zhǎng)度為 42 m，寬度為礦體水平厚度，高度為階段高度50 m。上下采場(chǎng)之間由頂?shù)字喔?，底柱? m，頂柱高4 m，相鄰采場(chǎng)之間由間柱相隔，間柱的水平厚度為6 m，一系列采礦作業(yè)均在頂?shù)字烷g柱所劃定的礦房?jī)?nèi)進(jìn)行。重點(diǎn)研究開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及開(kāi)采過(guò)程對(duì)山體及金沙江的影響，研究區(qū)域?yàn)?1，2，3，8號(hào)礦體所在的區(qū)域。

2 數(shù)值模擬

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用普氏、RMR、Q系統(tǒng)3種巖體質(zhì)量分級(jí)方法，對(duì)筆架山鐵礦各礦巖體質(zhì)量進(jìn)行了分級(jí)，認(rèn)為筆架山鐵礦礦體和圍巖均屬于堅(jiān)固～極堅(jiān)固類(lèi)型巖體。

有限元數(shù)值模擬所采用的礦巖體宏觀巖體力學(xué)參數(shù)，是通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到各巖塊力學(xué)參數(shù)，采用 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則折減而確定[4]，計(jì)算采用的各巖性宏觀巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算模型的建立

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論可知，在承受均勻載荷的無(wú)限大彈性體中開(kāi)挖圓孔后，孔邊的應(yīng)力狀況將發(fā)生顯著變化：在3倍孔徑的區(qū)域處，應(yīng)力比開(kāi)孔前的應(yīng)力增大11%；在5倍孔徑的區(qū)域處，應(yīng)力的相對(duì)差值已小于 5%，這樣的應(yīng)力變化在工程上可以忽略不計(jì)。因此，在有限元的計(jì)算中可以把 3～5倍孔徑的區(qū)域作為計(jì)算域。根據(jù)筆架山鐵礦礦體的實(shí)際賦存條件及周邊金沙江所處位置，建立三維有限元模型。模型長(zhǎng)×寬×高為750 m×1000 m×550 m，即沿礦體走向取750 m（模型中Z方向），垂直礦體走向取1000 m（X方向），沿垂直方向取550 m（Y方向）。礦體模型見(jiàn)圖1。

表1 礦巖體宏觀巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 筆架山鐵礦1，2，3，8號(hào)礦體位置

2.3 力學(xué)模型

筆架山鐵礦前期未進(jìn)行過(guò)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，由于筆架山鐵礦礦體出露地表，埋深較淺，在淺部一般水平應(yīng)力較小[5]。本次計(jì)算中，以垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力（λ=0.37）為基本計(jì)算方案。

在巖體破壞模型分析中，采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準(zhǔn)則。力學(xué)模型為：

或

式中，σ1，σ3分別是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；c，φ為巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；F為破壞判定系數(shù)。當(dāng)F≥0時(shí)，巖體將發(fā)生剪切破壞。另外，巖體在拉應(yīng)力作用下，采用抗拉強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。其力學(xué)模型為：

式中，σt為巖體所受拉應(yīng)力；Rt為巖體抗拉強(qiáng)度。

如果拉應(yīng)力超過(guò)巖體抗拉強(qiáng)度(F≥0)，巖體將發(fā)生抗拉破壞。

2.4 計(jì)算方案

在分析過(guò)程中，首先對(duì)構(gòu)建的模擬施加自重力及構(gòu)造應(yīng)力，初始應(yīng)力平衡后，第2步對(duì)950 m以上的江面以上礦體進(jìn)行回采；第3步回采950 m～895 m中段礦體；第4步回采895 m～845 m中段礦體；第5步回采845 m～795 m中段礦體；第6步回采795 m～745 m中段礦體；第7步回采745 m以下礦體。

由于受計(jì)算量及模型自身的影響，在考慮頂?shù)字暮侠沓叽鐣r(shí)沒(méi)有同時(shí)考慮間柱尺寸，間柱尺寸按設(shè)計(jì)的6 m進(jìn)行模擬，本次頂?shù)字叽绻材M以下3種方案：

方案一：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸4 m；

方案二：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸6 m；

方案三：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸10 m。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 礦體回采至950 m中段時(shí)山體穩(wěn)定性分析

由于江面以上的采空區(qū)比較復(fù)雜，本次模擬按最壞情況考慮，即將950 m（江面以上）礦體一次開(kāi)挖，不留礦柱，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。從圖2～圖5可以看出，礦體開(kāi)采至950水平后，礦巖體受采動(dòng)影響，在開(kāi)挖體周?chē)鹦碌膽?yīng)力、位移重新分布，但應(yīng)力均為壓應(yīng)力（見(jiàn)圖2），位移值較小，最大僅為17 mm，山體及金沙江位置整體安全率大于 2.3，而安全率是指由摩爾——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)，安全率越大，安全性越好。開(kāi)挖后也僅在老馬田1號(hào)礦體及2，3，8號(hào)礦體周邊出現(xiàn)較少的塑性區(qū)（圖5中紅色區(qū)域），說(shuō)明950 m中段以上的礦體開(kāi)采后對(duì)山體及金沙江影響較小，開(kāi)采后整體偏于安全，這與現(xiàn)場(chǎng)情況比較吻合，也為后期開(kāi)采提供了依據(jù)。

圖2 礦體回采至950中段主應(yīng)力分布

圖3 礦體回采至950中段垂直位移分布

圖4 礦體回采至950中段安全率分布

3.2 間柱、頂柱穩(wěn)定性分析

該3種模擬方案是在前述第2步模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行，在進(jìn)行不同中段采場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)，均考慮間柱和頂?shù)字踩?。由于三維有限元給出了大量模擬結(jié)果信息，圖幅和數(shù)據(jù)很多，而方案一至方案三開(kāi)挖順序和采場(chǎng)大小都一致，不同之處只是頂?shù)字叽绮煌?。所以本文僅給出開(kāi)采末期的相關(guān)圖幅和數(shù)據(jù)。

圖5 礦體回采至950中段山體整體塑性區(qū)

3.2.1 應(yīng)力、位移分布

3種頂?shù)字叽缒M結(jié)果見(jiàn)圖6，從圖6可以看出，急傾斜礦體回采結(jié)束后，應(yīng)力呈條帶狀分布，且回采過(guò)程中留有連續(xù)間柱和頂柱，暴露面積有限，所以3種方案回采結(jié)束后的礦體頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域較小，最大也僅為0.651 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于折減后礦體身的抗拉強(qiáng)度值1.62 MPa，巖體不會(huì)發(fā)生抗拉破壞；壓應(yīng)力最大為13.478 MPa，與回采至950中段時(shí)的11.88 MPa有所增大，但幅度較??；3種方案回采結(jié)束后位移最大僅為12 mm（見(jiàn)圖7），因此，3個(gè)方案均滿(mǎn)足應(yīng)力、位移要求。

3.2.2 安全率、塑性區(qū)分布

頂板、間柱及圍巖等是否破壞，除了與應(yīng)力、位移有關(guān)外，還與安全率相關(guān)。安全率變化規(guī)律如圖8所示。從圖8中可以看出，頂柱尺寸為4 m，6 m，10 m時(shí)的安全率分別為1.018，1.118和1.328，由此可見(jiàn)，方案一頂柱為4 m時(shí)，安全率為1.018，處于臨界狀態(tài)，方案二、方案三安全率均大于1.15，滿(mǎn)足地下礦山安全率大于1.15的經(jīng)驗(yàn)值。塑性區(qū)的分布情況見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，頂柱為4 m時(shí)，幾乎整個(gè)頂柱都處于塑性狀態(tài)（圖9中紅色區(qū)域），而頂柱為6 m，10 m時(shí)，塑性區(qū)域明顯減少，僅在頂板局部區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)，安全性相對(duì)較好。所以建議在開(kāi)采過(guò)程中頂柱尺寸不小于6 m，另外，塑性區(qū)的分布有一個(gè)明顯的特征，礦體回采結(jié)束后，795 m下部塑性區(qū)明顯大于上部，這與深部地壓較大有直接的關(guān)系，所以綜合分析認(rèn)為整體頂柱尺寸不小于6 m，開(kāi)采至795 m時(shí)應(yīng)適當(dāng)將頂柱尺寸增加到8 m。

圖6 回采結(jié)束間柱、頂柱最大主應(yīng)力分布

圖7 回采結(jié)束間柱、頂柱垂直位移分布

圖8 回采結(jié)束間柱、頂柱安全率分布

圖9 回采結(jié)束間柱、頂柱塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

（1）采用三維有限元對(duì)筆架山鐵礦進(jìn)行模擬，通過(guò)分析認(rèn)為950 m中段以上的礦體開(kāi)采后沒(méi)有拉應(yīng)力出現(xiàn)，且整體安全率大于2.3，對(duì)山體及金沙江沒(méi)有影響，這與礦山現(xiàn)狀及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果也比較吻合，為后期開(kāi)采提供了依據(jù)。

（2）通過(guò)對(duì)3種不同頂柱尺寸的回采方案模擬，結(jié)合對(duì)應(yīng)力、塑性區(qū)、位移及安全率的綜合分析，認(rèn)為在開(kāi)采過(guò)程中頂?shù)字恼w尺寸應(yīng)不小于6 m，開(kāi)采至795 m時(shí)可適當(dāng)將頂柱尺寸增加到8 m。