李小雙，李耀基，王孟來(lái)

(1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心， 云南 晉寧縣 650600；2.云南磷化集團(tuán)有限公司， 云南 晉寧縣 650600)

用不同采礦方法開(kāi)采深部磷礦體的地壓規(guī)律模擬

李小雙1,2，李耀基1,2，王孟來(lái)1,2

(1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心， 云南 晉寧縣 650600；2.云南磷化集團(tuán)有限公司， 云南 晉寧縣 650600)

以云南磷化集團(tuán)有限公司晉寧磷礦2號(hào)坑口為研究對(duì)象，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)其深部礦體地下開(kāi)采過(guò)程中，不同開(kāi)采方法條件下采場(chǎng)頂板、圍巖的穩(wěn)定性及礦壓活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：礦體采出后，采空區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周?chē)碌闹С悬c(diǎn)轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)的上方形成卸壓區(qū)，而在采空區(qū)前后兩側(cè)的固定支撐端礦體內(nèi)形成支承壓力帶。采場(chǎng)前方的超前支承壓力隨采場(chǎng)推進(jìn)不斷前移。在采場(chǎng)法線(xiàn)方向，引起上覆巖體開(kāi)裂、下陷或跨塌，最終波及到地表，引起開(kāi)采沉陷。與分段留礦-崩落法開(kāi)采相比，采用充填法開(kāi)采時(shí)，由于充填體的支撐作用，最大應(yīng)力集中系數(shù)由1.18減小到1.04，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m，礦體采場(chǎng)頂板覆巖的采動(dòng)礦壓顯現(xiàn)特征明顯減弱。

磷礦開(kāi)采；FLAC3D模擬；地壓規(guī)律；不同采礦方法

1 FLAC3D概述

FLAC3D是在FLAC基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的可實(shí)現(xiàn)采礦工程、巖土工程問(wèn)題中力學(xué)物理過(guò)程的單個(gè)過(guò)程或多個(gè)過(guò)程相耦合作用的三維模型數(shù)值分析與設(shè)計(jì)軟件。采用顯式差分格式求解采礦與巖土工程中的微分控制方程，根據(jù)已知應(yīng)變?cè)隽浚梢苑奖愕厍蟪鰬?yīng)力增量、不平衡力等系統(tǒng)演化變量，目前已在礦業(yè)工程中得到了應(yīng)用。

2 模型的建立與計(jì)算方案

2.1 基本假設(shè)

(1) 巖性的假設(shè)。假設(shè)巖石各向同性、均質(zhì)，應(yīng)力與應(yīng)變準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則。

(2) 水平構(gòu)造應(yīng)力的假設(shè)?？紤]到開(kāi)挖區(qū)域礦體構(gòu)造簡(jiǎn)單，水平構(gòu)造應(yīng)力不予考慮。

(3) 礦房結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。將數(shù)值模型之中的各種礦房結(jié)構(gòu)(巷道、天井、斜井、聯(lián)絡(luò)巷以及溜井等)簡(jiǎn)化為實(shí)體。

2.2 模型的幾何尺寸

以云南磷化集團(tuán)晉寧磷礦2號(hào)坑北部采區(qū)深部?jī)A斜中厚磷礦體具體的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，在綜合考慮礦山地質(zhì)采礦技術(shù)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合課題研究的重點(diǎn)，最終選取2號(hào)坑口59勘探線(xiàn)之間礦體巖層作為數(shù)值模擬試驗(yàn)剖面，對(duì)原勘探線(xiàn)剖面各巖層厚度取平均值。上部Ⅰ+Ⅱ磷礦層厚按6.8 m考量，下部的Ⅱ磷礦層厚按4.0 m考量。X方向?yàn)榈V體傾向方向，取地下采場(chǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度的一部分300 m；Z方向?yàn)榈V體及采場(chǎng)各巖層賦存的埋深方向，本次模擬研究主要考慮2120～2320 m范圍內(nèi)情況，取值大小為200 m；Y方向?yàn)榈V體走向方向，不是本次研究的重點(diǎn)，取值100 m。模型長(zhǎng)×高×寬為300 m×200 m×100 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 幾何模型

2.3 模型的邊界條件及本構(gòu)關(guān)系

邊界條件設(shè)置的準(zhǔn)確與否，對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算的結(jié)果的合理性以及精度有重要影響。本次計(jì)算中， X、Y方向?yàn)檩佪S支撐邊界條件，模型可分別作x和z向運(yùn)動(dòng)，沿垂直方向，只在下表面施加約束。

采用理想彈塑性本構(gòu)模型，巖石材料破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則。

2.4 巖體參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算采用的磷礦和巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.5 數(shù)值模擬計(jì)算方案

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

注：標(biāo)有 *號(hào)的是工程類(lèi)比數(shù)據(jù)；C=σc(1-sinφ)/2cosφ，K=E/3(1-2μ)，G=E/2(1+μ)。

結(jié)合相似模型試驗(yàn)研究成果以及深部礦體地下開(kāi)采研究?jī)?nèi)容，本次采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析法，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)深部礦體地下開(kāi)采過(guò)程中，不同采礦方法條件下大型磷礦山深部開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)頂板、圍巖的穩(wěn)定性及礦壓活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。2個(gè)開(kāi)采方案如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果及分析

兩種不同采礦方法磷礦體地下開(kāi)采后，采場(chǎng)覆巖豎直應(yīng)力分布特征如圖2,圖3所示。

圖2 方案1各階段開(kāi)挖后采場(chǎng)覆巖豎直應(yīng)力分布特征

由圖2～3分析可知，用不同采礦方法對(duì)磷礦體進(jìn)行地下開(kāi)采時(shí)，具有相同的礦壓活動(dòng)規(guī)律：礦體采出后，采空區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周?chē)碌闹С悬c(diǎn)轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)的上方形成卸壓區(qū)，而在采空區(qū)前后兩側(cè)的固定支撐端礦體內(nèi)形成支承壓力帶。采場(chǎng)前方形成的超前支承壓力隨采場(chǎng)推進(jìn)不斷前移。在采場(chǎng)法線(xiàn)方向，除采場(chǎng)頂板巖層外，還會(huì)影響相近的上部巖層及圍巖，嚴(yán)重的甚至?xí)鹕细矌r體開(kāi)裂、下陷或跨塌,最終波及到地表，引起開(kāi)采沉陷。

同時(shí)，由圖2～3分析可知，用兩種不同采礦方法開(kāi)采磷礦體時(shí)，礦壓活動(dòng)規(guī)律具有一定的差異性：采用廢石膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采時(shí)，維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定性的主體是圍巖和廢石膠結(jié)充填體，當(dāng)廢石膠結(jié)充填體未進(jìn)入采空區(qū)前，采場(chǎng)的穩(wěn)定性主要取決于圍巖的穩(wěn)定性，此時(shí)圍巖完全承擔(dān)全部載荷。當(dāng)廢石膠結(jié)充填體進(jìn)入采空區(qū)后，所有載荷由二者共同承擔(dān)，廢石膠結(jié)充填的過(guò)程是充填體本身被壓實(shí)的過(guò)程，它對(duì)采場(chǎng)頂板及圍巖的支撐是被動(dòng)的，其支護(hù)作用是靠頂扳的下沉和圍巖的閉合實(shí)現(xiàn)的。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用充填法開(kāi)采時(shí)，由于充填體的支撐作用，采場(chǎng)頂板覆巖的采動(dòng)礦壓顯現(xiàn)特征不明顯，與分段留礦-崩落法相比，其礦壓顯現(xiàn)的程度明顯較弱。采場(chǎng)前方支承壓力區(qū)域的最大應(yīng)力集中系數(shù)由分段留礦-崩落法的1.18減小到1.04(最大應(yīng)力集中系數(shù)為礦體各步開(kāi)挖后的平均值)，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m。

4 結(jié) 論

(1) 采用充填法開(kāi)采時(shí),由于充填體的支撐作用，采場(chǎng)頂板覆巖的采動(dòng)礦壓顯現(xiàn)特征不明顯，與分段留礦-崩落法相比，其礦壓顯現(xiàn)的程度明顯較弱，主要體現(xiàn)為：采場(chǎng)前方支承壓力區(qū)域的最大應(yīng)力集中系數(shù)由分段留礦-崩落法的1.18減小到1.04(最大應(yīng)力集中系數(shù)為礦體各步開(kāi)挖后的平均值)，塑性區(qū)范圍由12～18 m減小到4～8 m。

(2) 采用充填采礦方法后，采場(chǎng)圍巖的強(qiáng)度和承壓力得到強(qiáng)化、加固，地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯減弱。其本質(zhì)原因?yàn)椋撼涮铙w充入采場(chǎng)，改變了采場(chǎng)幫壁和底板的應(yīng)力狀態(tài)，使其單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p軸或三軸應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖的強(qiáng)度得到很大改善，從而增強(qiáng)了圍巖的自支撐能力，防止了由于采動(dòng)上覆巖層向底板的轉(zhuǎn)移，減少了由于采動(dòng)引起的底板破壞深度。

[1] 李耀基，李小雙，黃 滾.大型露天磷礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采技術(shù)研究[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2011：1-7.

[2] 李耀基，李小雙，張東明.磷礦山深部礦體地下開(kāi)采技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013：2-14.

[3] 張世雄，張恩強(qiáng)，蔡美峰,等.固體礦物資源開(kāi)發(fā)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010：8-16.

[4] 尹光志，李小雙，李耀基.底摩擦模型模擬露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)挖采空區(qū)影響下邊坡變形破裂響應(yīng)特征及其穩(wěn)定性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(3)：231-238.

[5] 夏天勁.洋水礦區(qū)幾種典型地質(zhì)條件下采礦方法的優(yōu)選研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005：80-82.

[6] 景海河.深部工程圍巖特性及其變形破壞機(jī)制研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2002：70-74.

[7] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：40-44.

[8] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005：42-46.

[9] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教材[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：32-36.

2013-09-18)