葉加冕, 蔣京名, 王李管, 馮興隆
(1.昆明冶金高等專科學(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院, 云南 昆明 650033;2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093;3.長(zhǎng)沙迪邁信息科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)
隨著國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)地下金屬礦山淺部礦體的開采完畢,采礦地點(diǎn)的深部延深,開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大和開采難度的逐漸增加,經(jīng)驗(yàn)類比法已不再適用。為了保證開采的安全,提高開采的效益和效率,必須進(jìn)行定量計(jì)算和分析,通過(guò)定量的計(jì)算、分析、比較,確定合理的開采方法、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、開采順序等,從而實(shí)現(xiàn)采礦決策科學(xué)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化。[1]近年發(fā)展的三維有限元數(shù)值模擬分析法結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化方面,主要用于解決采場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題,用于模擬采礦開挖過(guò)程中的圍巖應(yīng)力及變形情況,解決采礦工程中的巖石力學(xué)問(wèn)題,以便為設(shè)計(jì)和施工提供可靠的定量依據(jù)。[2]通過(guò)選取所要研究的采場(chǎng)結(jié)構(gòu),并建立力學(xué)模型,對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算,分析其在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等特性,最終確定最優(yōu)的采礦方案。
32-3#礦體屬于矽卡巖型錫銅多金屬硫化物礦床。地層主要為中三疊統(tǒng)個(gè)舊組中部碳酸鹽巖,由上到下劃分為:深灰色、灰色厚層狀白云巖和灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與石灰?guī)r互層,及灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與石灰?guī)r互層。并有四組斷裂相交。該礦體埋藏較深,距地表645.7m,允許陷落。礦體賦存標(biāo)高為1829~1880m,礦體呈層狀、囊狀產(chǎn)出。礦體走向NE,長(zhǎng)約120m,傾向NW,傾角為50~70°,總體由SW向NE側(cè)伏,側(cè)伏角20~30°,礦體水平厚度10~50m,南部較薄而平緩,北部厚大而陡傾。礦石類型主要為硫化礦,其次為矽卡巖硫化礦。32-3#礦體雖然賦存標(biāo)高為1829~1880m,然而1850m以上已采用分段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行回采,目前回采空區(qū)已冒落,且已形成面積達(dá)970m2的空區(qū)。
根據(jù)塘子凹32-3#礦體的開采技術(shù)條件,選擇經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)上可行的采礦方案,進(jìn)行初步的采切工程設(shè)計(jì);并在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建詳細(xì)反映地質(zhì)條件的三維模型,為有限元分析軟件3D-σ的前處理模型。通過(guò)數(shù)值模擬和分析手段,對(duì)冒落空區(qū)之下的塘子凹32-3#礦體的安全開采問(wèn)題進(jìn)行研究,從而確定礦塊與其內(nèi)部所劃采場(chǎng)的合理回采順序,以及采場(chǎng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
根據(jù)32-3#礦體的開采技術(shù)條件,可以提出如下2種采礦方法的初選方案:①有底柱礦房空?qǐng)觥⒌V柱充填聯(lián)合采礦法;②有底柱礦房空?qǐng)觥⒌V柱崩落聯(lián)合采礦法。
對(duì)上述兩個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較可以得出,雖然表面上看方案二有底柱礦房空?qǐng)?,礦柱崩落法的原礦成本低,但相應(yīng)的出礦品位也低,最終獲得的金屬量較少。而方案一的原礦成本相對(duì)高,但獲得的金屬量較多,最終獲得的產(chǎn)品銷售利潤(rùn)總額比方案二的總額也多。綜合以上的分析,采礦方法,確定采用“方案一”。
根據(jù)礦體形狀,將該礦體沿走向劃分為三個(gè)礦塊:“礦塊一”位于礦體的西邊,長(zhǎng)約有20m,向西逐漸尖滅;“礦塊二”位于礦體中部、冒落空區(qū)下部,長(zhǎng)68m,是該礦體的厚大部位;“礦塊三”位于礦體的東部,逐漸向東北部延伸,與北部32#礦體相連。由于“礦塊一”和“礦塊三”位于該礦體邊部且規(guī)模較小,故以厚大的“礦塊二”為主。
在“礦塊二”中部,沿走向布置一條長(zhǎng)75m、寬5m的間柱,將該礦塊劃分為南北兩個(gè)部份,再沿垂直走向?qū)⒛媳眱刹糠职吹染嚅g隔劃分成礦柱和礦房。礦房頂部距冒落采空區(qū)預(yù)留5m作為頂柱,為防止開采中礦體上盤花崗巖混入采區(qū),造成礦石貧化或發(fā)生冒落等安全威脅,在北部上盤預(yù)留2~3m的壁柱,在礦體底部留5~6m的底柱以布置出礦漏斗。
本次模擬計(jì)算共采用五種方案。各方案及其特點(diǎn)如表1所示。
表1 回采順序方案及其采場(chǎng)參數(shù)
2.3.1 三維有限元數(shù)值模擬的基本思路
為了研究采場(chǎng)連續(xù)回采的穩(wěn)定性,并確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序,必須采用數(shù)值模擬的方法,定量地計(jì)算和分析回采過(guò)程中,采場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布狀況,確定它們隨每步回采的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,從而對(duì)采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)做出判斷;通過(guò)多方案的計(jì)算和分析,比較不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同的回采順序和不同的支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性狀態(tài),就可以做出優(yōu)化的開采設(shè)計(jì),確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理的開采順序和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),從而在保證生產(chǎn)安全的前提下,最大限度地減少開采成本,提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。[3]
2.3.2 計(jì)算模型
(1)模型選取
根據(jù)32-3#礦體的特點(diǎn)和采場(chǎng)布置形式,結(jié)合巖石力學(xué)相關(guān)理論,建立三維有限元模型,模型長(zhǎng)×寬×高為 1550m×670m×957m,即沿礦體走向取1550m(模型中z方向),垂直礦體走向取670m(x方向),沿垂直方向取957m(y方向)。首先,對(duì)上述區(qū)域在Dimine軟件中建立三維模型,然后通過(guò)編制的Dimine to 3D Sigma接口程序,將其轉(zhuǎn)變?yōu)?D-σ模型,共計(jì)43671 個(gè)節(jié)點(diǎn),9724個(gè)20節(jié)點(diǎn)三維等參元單元。單元網(wǎng)格劃分及礦體模型圖,分別見圖1和圖2所示。
圖1 三維有限元計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格剖分圖
(2)邊界約束
模型邊界采取位移約束。由于采動(dòng)影響范圍有限,在離采場(chǎng)較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小,可將計(jì)算模型邊界處位移視為零。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、z三個(gè)方向約束,xy所在平面采用z方向約束,yz所在平面采用x方向約束。
(3)地應(yīng)力設(shè)置
由于實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)距地表深度已有600多m,根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)[4]可以認(rèn)為,該采場(chǎng)圍巖中,地應(yīng)力水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力分量相差不大。本文以水平應(yīng)力略大于垂直應(yīng)力(λ=1.2,云錫研究設(shè)計(jì)院等建議采用λ=1~1.2)為地應(yīng)力模擬的依據(jù)。
圖2 計(jì)算機(jī)模擬礦體形態(tài)及間柱位置圖(同一模型不同的側(cè)面)
(4)計(jì)算所采用的巖體理學(xué)參數(shù)
計(jì)算參數(shù)和計(jì)算模型, 是數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。為了此次計(jì)算參數(shù)的合理選擇, 搜集了針對(duì)塘子凹礦區(qū)進(jìn)行的多次巖石力學(xué)試驗(yàn)研究工作的研究成果,見表2。在此基礎(chǔ)上, 確定了塘子凹區(qū)礦巖的力學(xué)參數(shù)。
表2 采選分公司32-3#礦體礦巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果匯總
2.3.3 回采順序的確定
通過(guò)模擬與分析前三個(gè)方案的采場(chǎng)直接頂板最大主應(yīng)力分布、底板最大主應(yīng)力分布、充填礦柱和間柱的最大主應(yīng)力分布,來(lái)確定該礦體最佳回采順序。采場(chǎng)開采結(jié)束后,采場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果見表3。
從表3和圖3~圖5可以看出,在應(yīng)力分布狀態(tài)中,頂板最大主應(yīng)力最為重要,因其對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響最大,充填礦柱、間柱應(yīng)力也比較重要。從表3中所列的應(yīng)力分布狀態(tài)來(lái)看,方案二最好。在圍巖位移狀態(tài)中,垂直位移,比水平位移重要,因?yàn)檫^(guò)量的垂直位移將導(dǎo)致頂板冒落和地表沉陷。因此,從位移狀態(tài)來(lái)看,方案二要優(yōu)于其它兩個(gè)方案。
經(jīng)過(guò)上述兩方面對(duì)三個(gè)方案的比較,可以得出:方案二優(yōu)于方案一和方案三,合理的開采順序?yàn)榘匆?、二、三礦塊的順序由西向東順序回采。其中主礦塊(礦塊二)以間柱為界,將礦塊劃分為南北兩部分,從西向東交替回采位于間柱南北的2個(gè)礦房,先南后北回采,直至整個(gè)礦塊采完。
表3 開采結(jié)束后的采場(chǎng)應(yīng)力、位移結(jié)果
2.3.4 采場(chǎng)合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
在確定了該礦體最佳的回采順序后,現(xiàn)在將針對(duì)最佳順序,通過(guò)調(diào)整采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),制定新的模擬方案(即方案二、方案四、方案五),進(jìn)行進(jìn)一步模擬,以確定合理采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于步驟較多,只對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行比較。即:選擇“礦塊二”開采初期(第7步開采——南部第一個(gè)礦房開采)、中期(第10步——北部第一個(gè)礦房開采)與末期(第13步——北部最后一個(gè)礦房開采)三個(gè)階段,對(duì)三種方案的直接頂板、底板與充填礦柱,從應(yīng)力、位移分布等兩個(gè)方面進(jìn)行比較,并確定最佳合理參數(shù)。
(1)第7步開采后的結(jié)果比較與分析
第7步開采后的應(yīng)力、位移值見表4、圖6、圖7。
表4 第七步開采后的應(yīng)力、位移值
圖3 方案一開采末期頂板最大主應(yīng)力分布
圖4 方案二開采末期頂板最大主應(yīng)力分布
圖5 方案三開采末期頂板最大主應(yīng)力分布
圖6 第7步開挖后間柱的最大主應(yīng)力分布圖
圖7 第7步開挖后礦柱的最大主應(yīng)力分布圖
從圖6、圖7中可以看出,三個(gè)方案應(yīng)力等值線圖的形式大致相似,都是在邊角部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中。但由于南部一個(gè)礦房的開采,礦柱和間柱上的應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移,使得間柱產(chǎn)生了拉伸破壞。從表4中可以得出,方案二的礦柱和間柱的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力都小于其它兩個(gè)方案。綜合間柱、礦柱的垂直方向位移來(lái)看,方案二要優(yōu)于其它兩個(gè)方案。
(2)第10步開采后的結(jié)果比較與分析
第10步開采后的應(yīng)力、位移值見表5。
表5 第十步開采后的應(yīng)力、位移值
第10步開采后,礦房的最大主應(yīng)力分布來(lái)看,最大主應(yīng)力等值線基本相似,都在相同的部位產(chǎn)生了拉應(yīng)力。從表5中應(yīng)力結(jié)果來(lái)看,方案二明顯優(yōu)于方案四和方案五。從礦房直接頂板的垂直方向最大位移分布來(lái)看,在“礦塊一”和開挖礦房的中部,都產(chǎn)生了較大的位移。三種方案相差不是很大,方案二稍好一些。
從表5可以看出,由礦柱和間柱內(nèi)的最大壓應(yīng)力來(lái)看,方案二優(yōu)于方案四和方案五;但從位移方面看,方案四較好。從總體上的分析來(lái)看,雖然在某部位的某一方面,方案二略差于其他方案,但在大部分方面,方案二還是占優(yōu)的。
(3)第13步開采后的結(jié)果比較與分析
第13步開采后的應(yīng)力、位移值見表6。
表6 第13步開采后的應(yīng)力、位移值
第13步開采后,方案二和方案四產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力區(qū)域一致,都在北部最后一個(gè)礦房的邊部;方案五則產(chǎn)生在北部第2個(gè)礦房直接頂板的中部。頂板產(chǎn)生拉應(yīng)力的地方相似。從表6中拉應(yīng)力來(lái)看,方案五要好,但從壓應(yīng)力集中情況和最大值可以看出,方案二要好于方案四跟方案五。另外,從直接頂板最大位移和充填礦柱、間柱最大位移值,也可以得出方案二優(yōu)于其他兩個(gè)方案。
綜合第7、10、13步開采后的應(yīng)力和位移分布情況來(lái)看,方案二明顯要優(yōu)于其它兩個(gè)方案。
依據(jù)三維有限元模擬結(jié)果,可得到如下結(jié)論:
(1)采用三維有限元對(duì)不同回采順序進(jìn)行模擬,經(jīng)過(guò)礦體關(guān)鍵部位的比較,論證了合理的開采順序?yàn)橛晌飨驏|順序回采,其中主礦塊(礦塊二)以間柱為界,將礦塊劃分為南北兩部分,由西向東先回采南部礦房,然后由西向東回采北部礦房。
(2)通過(guò)三維有限元的模擬及CAD計(jì)算,得出了采場(chǎng)直接頂板的極限暴露面積大約在800m2左右。
(3)通過(guò)對(duì)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行三維有限元模擬,經(jīng)過(guò)礦房關(guān)鍵部位和礦柱及間柱的位移、應(yīng)力分布等方面的比較,論證了5m礦柱和12m礦房是較優(yōu)的方案,是合理可行的。
(4)通過(guò)上述研究,確定了云錫塘子凹32-3#礦體的最優(yōu)合理回采方案,為采礦方法的詳細(xì)施工方案設(shè)計(jì)及后期開采過(guò)程管理,奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
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