羊羽翔 付建新 宋衛(wèi)東

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

不同地質(zhì)條件下的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

羊羽翔 付建新 宋衛(wèi)東

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

為了確定不同地質(zhì)條件下較為合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對不同礦巖穩(wěn)定性條件下的采場跨度進行選擇與優(yōu)化。以程潮鐵礦西區(qū)作為研究的工程背景，采用簡支梁理論、礦房寬度計算公式對合理跨度與臨界跨度進行了計算，并通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同跨度參數(shù)的采場穩(wěn)定性進行了分析。結(jié)果表明：礦巖條件為穩(wěn)固、中等穩(wěn)固、穩(wěn)固性較差時的礦房合理跨度分別為18.87、14.93、8.08 m。多礦房回采，位移及拉應(yīng)力的最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對礦房跨度也非常敏感。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算值相符，這表明數(shù)值模擬能很好地反映地下開采的真實狀態(tài)，為采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定提供依據(jù)。

采場跨度 數(shù)值模擬 地質(zhì)條件 最小主應(yīng)力 塑性區(qū)

對于礦山實際回采工作而言，合理的采場參數(shù)需根據(jù)不同礦山的不同開采條件來確定，但即使在同一礦山的開采范圍內(nèi)，也存在著不盡相同的地質(zhì)條件，因此同一礦山不同開采區(qū)域內(nèi)的采場參數(shù)也不能一概而論。合理的采場參數(shù)有利于提高采礦效率，而采場參數(shù)過大則會帶來安全隱患。

針對采場合理跨度的選擇前人做了很多研究，在合理跨度的理論計算方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)中的梁理論[1]將采區(qū)看作巖梁，計算時將其簡化為平面彈性力學(xué)問題，從而可以計算出采場最大允許的跨度。根據(jù)普通房柱法礦房寬度的計算公式[2]也能算出礦房的合理寬度。

在數(shù)值模擬實際開采的研究中，主要使用的方法有有限單元法、離散單元法以及有限差分法等等。唐巨鵬等人[3]通過ansys軟件建立煤礦的開采模型，計算了地表沉陷曲線和最大沉陷位置，指出了隨開采推進沉陷位移和影響范圍。付建新等人[4-7]通過FLAC3D軟件模擬了礦山回采過程，分析了開采過程中的地壓問題，確定了合理的采場布置及開采順序。

本研究以程潮鐵礦西區(qū)作為研究的工程背景，在已有礦巖穩(wěn)定性分級的成果上，考慮將程潮西區(qū)礦巖體劃分為好、一般、較差3種分類，并分別進行礦房礦柱合理跨度的設(shè)計。首先運用簡支梁理論以及礦房寬度計算公式計算得出不同地質(zhì)條件下礦房礦柱的最大允許跨度，接著運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析采區(qū)內(nèi)的拉應(yīng)力、頂板位移以及塑性區(qū)分布的情況，對所選定的采場參數(shù)進行優(yōu)化，以理論力學(xué)研究與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式，確定程潮鐵礦西區(qū)不同地質(zhì)條件下適宜的采場跨度參數(shù)。

1 采場允許跨度理論分析

1.1 礦區(qū)概況及及礦巖穩(wěn)定性評價

程潮鐵礦是國內(nèi)特大型的金屬礦山，在-500 m水平以上采用分段高度17.5 m，進路間距15 m的無底柱分段崩落法進行開采，在轉(zhuǎn)入-500 m以下開采后考慮采用分段空場嗣后充填法進行開采，在使用充填法試采的5采場中，采用了礦房寬度13 m，礦柱寬度7 m的采場布置參數(shù)，由于礦柱較窄而開采形成的空區(qū)較大，出現(xiàn)了地壓顯現(xiàn)，錨噴支護層出現(xiàn)開裂、脫落等不安全現(xiàn)象。因此確定合適的采場參數(shù)顯得尤為重要，將直接影響到采礦的效率與安全。

RMR分類方法主要以巖體的單軸抗壓強度、巖芯質(zhì)量指標(biāo)RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件、地下水情況等5個指標(biāo)作為評判的依據(jù)，將巖體劃分為非常好的巖體、好巖體、一般巖體、不好的巖體、非常不好的巖體5類，程潮鐵礦各巖體的具體分類情況見表1。

表1 主要礦巖穩(wěn)定性分類結(jié)果

由表1可知，總體圍巖處在中等穩(wěn)固到穩(wěn)固，對于具體礦段應(yīng)根據(jù)實際情況分析。

1.2 不同地質(zhì)條件下采場跨度理論計算

由地質(zhì)條件的分析可知西區(qū)礦石的穩(wěn)固性較好，上下盤圍巖的穩(wěn)固性有一定差別。根據(jù)這些巖性分級的情況，考慮設(shè)計3個方案對不同礦巖穩(wěn)定性條件及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的采場圍巖破壞情況進行研究。方案Ⅰ為礦體穩(wěn)固，上下盤圍巖穩(wěn)固性較差，考慮上下盤圍巖為蝕變矽卡巖、綠泥石化閃長巖。方案Ⅱ為礦體穩(wěn)固，上下盤中等穩(wěn)固，考慮上下盤巖體為鐵礦石、硬石膏、閃長玢巖。方案Ⅲ為礦體與上下盤圍巖都穩(wěn)固，考慮上下盤圍巖為閃長巖、花崗巖、大理巖等。各方案的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各方案力學(xué)參數(shù)

1.2.1 簡支梁理論

場頂板可假設(shè)為兩端簡支梁，根據(jù)材料力學(xué)，巖梁中性軸上、下表面上任意一點的應(yīng)力為

(1)

式中，α為礦體傾角，(°)；l為巖梁跨度，m；h為巖梁高度，m；γ為巖體容重，kN/m3。

最大拉應(yīng)力發(fā)生在x=L/2+htanα/6處巖梁中性軸的下表面，最大拉應(yīng)力為

(2)

因此，頂板傾向的最大允許跨度為

(3)

頂板垂直走向的最大允許跨度為

(4)

式中,σt為巖體抗拉強度。

1.2.2 合理礦房礦柱寬度計算

對于階段空場嗣后充填法開采的采場，根據(jù)采場回采的安全保障及生產(chǎn)能力，可以確定礦房的寬度。在采場安全得到保障的情況下，礦房的寬度和高度越大，采場的生產(chǎn)能力也越大。礦房寬度計算式如下：

(5)

以方案Ⅲ為例，將H=500 m，γ=26.2 kN/m3，σt=4.1MPa代入式(5)中，可得階段嗣后充填采場的礦房寬度為L=18.87m。

由于礦柱相應(yīng)參數(shù)一致，故礦柱合理寬度與礦房一致。

1.2.3 計算結(jié)果

將各方案的參數(shù)分別代入式(4)和式(5)，各方案的最大允許跨度見表3。

表3 各方案允許的空場跨度

從表3中可以看出，簡支梁理論所計算的結(jié)果是相應(yīng)礦巖條件下的最大允許跨度，因而結(jié)果偏大，在實際應(yīng)用中應(yīng)以合理礦房寬度的計算結(jié)果為參考，最大不能超過簡支梁理論的計算結(jié)果。

2 采場跨度數(shù)值模擬分析優(yōu)化

2.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計與采場建模

為了研究不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下采場圍巖的破壞情況，驗證理論計算的合理性，且考慮到程潮西區(qū)大部分的礦巖條件與方案Ⅱ接近，故在方案Ⅱ的基礎(chǔ)上對應(yīng)設(shè)計了3種數(shù)值模擬方案：方案1，礦房、礦柱寬度均為8 m；方案2，礦房礦柱寬度均為15 m；方案3，礦房、礦柱寬度均為18 m。

數(shù)值模擬的力學(xué)參數(shù)取值如表4所示。

表4 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)取值

模型示意圖如圖1所示。本次模擬計算選取了3個礦房開采作為模擬對象，根據(jù)礦山生產(chǎn)的實際開采流程(圖1中1～9)，一個礦房開采結(jié)束并充填完畢后再進行下一個礦房的開采，同水平3個礦房依次開采，通過數(shù)值模擬分析圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)變化規(guī)律。

圖1 回采順序(單位：m)

2.2 采場穩(wěn)定性分析

由圖2可知，開采結(jié)束后，礦房二監(jiān)測點沉降值最大，而兩側(cè)的礦房一和三則相差較小。進行擬合可知，隨著開采的進行，礦房二監(jiān)測點沉降值呈指數(shù)增加，而兩側(cè)的礦房一和三則呈現(xiàn)線性增加。從圖2中可以看出，多礦房回采，最終最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。

圖2 各方案礦房最大沉降值

由圖3可知，礦柱頂板沉降值對礦房跨度非常敏感，隨著開采的進行，不同方案礦柱頂板監(jiān)測點位移均呈指數(shù)增加，且礦柱二位移偏大。

圖3 各方案礦柱最大沉降值

由巖體的力學(xué)性質(zhì)可知，巖體通常的抗拉強度比其抗壓強度要小許多，因此在最大主應(yīng)力小于其抗壓強度的情況下主要考慮其最小主應(yīng)力中是否出現(xiàn)了拉應(yīng)力。圖4為不同開采方案結(jié)束后，3個礦房頂板最小主應(yīng)力條形圖及其擬合曲線。由圖4可知，隨著跨度的增加，3個礦房頂板均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且隨跨度增加而變大，不同區(qū)域的礦房增加規(guī)律不同，中間區(qū)域的礦房二則呈對數(shù)增加，兩側(cè)則呈多項式增加。對比可知，方案2中，礦房三的拉應(yīng)力最小，說明此時對圍巖擾動規(guī)律較小。綜合來看，方案1最小主應(yīng)力沒有明顯增加，之后開始出現(xiàn)較大程度增加。

由圖5可知，隨著跨度的增加，3個礦房開采并充填結(jié)束后中間礦柱處在塑性區(qū)的比例也就越大，即礦柱破壞也就越嚴(yán)重，最終回采并充填完畢后，圍巖的塑性區(qū)也就越大，尤其是開采區(qū)域的上方。圖5顯示，方案1僅僅出現(xiàn)少量塑性區(qū)，方案2塑性區(qū)比方案1有所增加，而方案3礦柱中破壞區(qū)域大大增加，出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通的破壞狀態(tài)，造成后面回采礦柱時難度大大增加，因此不宜采用。

圖4 各方案頂板拉應(yīng)力值

圖5 各方案塑性區(qū)示意

綜合方案1、2及3，考慮程潮西區(qū)大部分區(qū)域礦巖穩(wěn)定性較好，屬于方案Ⅱ所描述的地質(zhì)類型，最終確定方案2為最優(yōu)方案，符合理論計算的結(jié)果?，F(xiàn)場可根據(jù)實際地質(zhì)情況，靈活調(diào)整參數(shù)，但最大不宜超過18 m。

3 結(jié) 論

(1)通過程潮西區(qū)礦巖穩(wěn)定性分級結(jié)果將礦區(qū)地質(zhì)條件歸納為3種方案，并根據(jù)簡支梁理論與礦房寬度計算公式計算了各方案的礦房最大允許跨度以及合理跨度。礦巖條件穩(wěn)固時礦房合理跨度為18.87 m，最大允許跨度為30.22 m；礦巖條件中等穩(wěn)固時礦房合理跨度為14.93 m，最大允許跨度為26.93 m；礦巖條件穩(wěn)固性較差時礦房合理跨度為8.08 m，最大允許跨度為15.93 m。

(2)從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，多礦房回采，最終位移的最大值以及拉應(yīng)力的最大值通常出現(xiàn)在區(qū)域中間部位，且礦房跨度的增加極易引起開采區(qū)域最大沉降值的迅速增加。礦柱頂板沉降值對礦房跨度也非常敏感。由塑性區(qū)可知，隨著礦房跨度的增加，塑性區(qū)也不斷增加，直至方案3礦柱中破壞區(qū)域出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通的破壞狀態(tài)，說明方案3不宜采用。

(3)對比數(shù)值模擬與理論計算的結(jié)果可知，方案3礦房跨度18 m過大，產(chǎn)生了塑性區(qū)貫通破壞，而方案1礦房跨度8 m則影響實際生產(chǎn)的效率與開采成本，15 m的礦房跨度即方案2為3個方案中的最優(yōu)方案，這與理論計算的合理跨度14.93 m相符。

(4)數(shù)值模擬相對于理論計算考慮的因素更多，結(jié)果更加直觀，而理論計算則可以確定計算結(jié)果的大方向，使數(shù)值計算的結(jié)果不至于偏離實際，因此理論計算結(jié)合數(shù)值模擬來確定礦塊參數(shù)提高了結(jié)果的可信度，更加接近工程實際。

[1] 張海波，宋衛(wèi)東，付建新.大跨度空區(qū)頂板失穩(wěn)臨界參數(shù)及穩(wěn)定性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2014，31(1)：66-71. Zhang Haibo，Song Weidong，F(xiàn)u Jianxin.Analysis of large-span goaf roof instability critical parameters and stability[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2014，31(1)：66-71.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Stope Structural Parameter Optimization under Different Geological Conditions

Yang Yuxiang Fu Jianxin Song Weidong

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

In order to determine the more reasonable stope structural parameters under different geological conditions,theoretical calculation and numerical simulation methods are adopted to select and optimize the stope width under different stability.With the western area of Chengchao Iron Mine as engineering background,the simply supported beam theory and the stope width calculation formula are used to calculate out the reasonable span and the critical span.And the stope stability under different stope width was analyzed by FLAC3Dsoftware.The results indicated that when rock keeps stable,moderately stable or less stable,the reasonable stope width needs to be 18.87 m,14.93 m and 8.08 m separately.In multi-stope mining,maximum displacement and tensile stress usually occurs in the middle of the area,and the increase of stope span can easily cause a rapid increase of maximum displacement.The subsidence of pillar roof also greatly impacted the stope span.The simulation results were consistent with the theoretical value,which indicates that the numerical simulation can well reflect the real state of underground mining,and provide the basis for determining stope structural parameters.

Stope width，Numerical simulation，Geological condition，Minimum principle stress，Plastic zone

2015-07-28

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51274023， 51374033)。

羊羽翔(1991—)，男,碩士研究生。通訊作者 宋衛(wèi)東(1966—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-029-04