楊家冕 汪紹元 王 星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

上向分層充填法點(diǎn)柱尺寸對(duì)地表變形影響分析

楊家冕1,2,3汪紹元1,2,3王 星1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日益增加，一些原來(lái)沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值的“三下”資源項(xiàng)目也逐步列入了開(kāi)采計(jì)劃。如何安全、高效、經(jīng)濟(jì)、合理地回收這些資源，并確保不影響到地表相關(guān)設(shè)施的安全，是近年來(lái)采礦界研究的重點(diǎn)。根據(jù)蒼山鐵礦礦體開(kāi)采技術(shù)條件，提出了目前比較適用于低價(jià)值資源開(kāi)采的盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填采礦方法，通過(guò)參考類似礦山的經(jīng)驗(yàn)，初步選擇了幾組可行的采礦方法點(diǎn)柱尺寸及頂板暴露面積參數(shù)，并利用數(shù)值模擬方法分析預(yù)測(cè)其對(duì)地表變形的影響。通過(guò)多方案組合的模擬分析比較，采用采場(chǎng)點(diǎn)柱尺寸4 m×4 m的情況下，暴露面積為500 m2時(shí)方案較優(yōu)，可提高礦石回收率3%～5%；模擬結(jié)果同時(shí)表明在此采場(chǎng)參數(shù)下，地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)值均小于規(guī)程所允許值。

點(diǎn)柱尺寸 數(shù)值模擬 地表變形

在礦產(chǎn)資源日益短缺的情況下，一些難采的“三下”資源開(kāi)采對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的意義。位于山東省棗莊市與臨沂市交界的魯城鄉(xiāng)境內(nèi)的蒼山鐵礦就屬于較典型的"三下"資源礦山，該礦地表上部有村莊、礦區(qū)工業(yè)場(chǎng)地、國(guó)防光纜及206國(guó)道，地表不允許有較大規(guī)模的變形。一般的"三下"開(kāi)采時(shí)，要根據(jù)采礦條件預(yù)計(jì)地表移動(dòng)變形，然后根據(jù)變形值大小評(píng)定建(構(gòu))筑物的損壞程度，采取相應(yīng)措施后，確定開(kāi)采方案及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]。該礦采用盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填法，利用有限差分法對(duì)采場(chǎng)參數(shù)方案進(jìn)行分析，在地表變形允許的范圍內(nèi)，對(duì)其參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出合理的點(diǎn)柱量和頂板暴露面積，既保護(hù)地表構(gòu)筑物安全，又盡可能多地回收了礦產(chǎn)資源[2]。

1 模擬計(jì)算分析

1.1 計(jì)算模型建立及邊界條件確定

結(jié)合蒼山鐵礦的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及所用的采礦方法的工藝特點(diǎn)，為完全模擬開(kāi)采、頂板圍巖受采動(dòng)影響的過(guò)程及開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱的穩(wěn)定性，以蒼山鐵礦32～56勘探線剖面圖中具有代表性的36、38、41、42、44、46、48以及55勘探線剖面圖為建模的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，沿礦體走向方向進(jìn)行采礦作業(yè)的研究，進(jìn)行數(shù)值模擬[3]。最終確定以下2組模型，進(jìn)行相關(guān)數(shù)值計(jì)算：模型1，暴露面積為400 m2，模型長(zhǎng)度500 m、寬度100 m、高度324 m；模型2，暴露面積為500 m2，模型長(zhǎng)度500 m、寬度100 m、高度324 m。

由于計(jì)算時(shí)模型的尺寸已經(jīng)考慮了采場(chǎng)開(kāi)挖以后造成的影響范圍，故而只需在模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型在前后及左右方向均施加水平方向約束，在模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面[4]。

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)蒼山鐵礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計(jì)算的要求經(jīng)歸類及工程處理后，考慮了3種力學(xué)介質(zhì)：上盤，黑云母角閃片巖；下盤，磁鐵角閃片巖；礦體，磁鐵礦石[6]。在數(shù)值模擬過(guò)程中所用力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬計(jì)算

采場(chǎng)在分層充填開(kāi)采情況下圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化、位移和對(duì)地表的影響。根據(jù)采礦工藝，每中段的開(kāi)采分8步進(jìn)行，每次充填后在上部預(yù)留2 m范圍作為繼續(xù)上采的空間，最后一分層進(jìn)行接頂充填。模擬在點(diǎn)柱尺寸4 m×4 m的情況下，暴露面積分別為400 m2和500 m2時(shí)，對(duì)地表的移動(dòng)變形情況；模擬在點(diǎn)柱尺寸5 m×5 m的情況下，暴露面積分別為400 m2和500 m2時(shí)，對(duì)地表的移動(dòng)變形情況。分層充填開(kāi)采參數(shù)如表2。

2 模擬分析

通過(guò)分析計(jì)算，截取2種暴露面積下采場(chǎng)第一分

表2 點(diǎn)柱式分層充填開(kāi)采參數(shù)

Table 2 Parameters of the pointed pillar overhandcut and fill mining method

m

層充填后和最后一分層充填后的位移云圖，如圖1～圖4所示。

圖1 面積為400 m2第一分層充填后位移云圖

圖2 面積為400 m2最后一分層充填后位移云圖

圖3 面積為500 m2第一分層充填后位移云圖

圖4 面積為500 m2最后一分層充填后位移云圖

分別進(jìn)行了不同頂板暴露面積和不同尺寸的點(diǎn)柱耦合作用下點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法的數(shù)值模擬計(jì)算，得到了礦體回采過(guò)程中圍巖的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)和地表變形參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行不同參數(shù)采場(chǎng)回采時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定性和對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響分析[6]。對(duì)于水平及緩傾斜礦體開(kāi)采引起的地表變形，采用文獻(xiàn)[7]中所述公式進(jìn)行計(jì)算。

2.1 采場(chǎng)頂板和地表下沉分析

當(dāng)頂板暴露面積為400 m2，點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m，頂板最大沉降量為7.62 mm，地表最大沉降量為1.18～1.20 mm。暴露面積為500 m2，點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m，頂板的最大沉降量為8.10 mm，地表最大沉降量為1.50～1.55 mm。

頂板最大沉降量和地表最大沉降量見(jiàn)圖5。

圖5 頂板最大沉降量和地表最大沉降量

將不同頂板暴露面積的采場(chǎng)開(kāi)挖后的計(jì)算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在充填體上進(jìn)行上向回采時(shí)頂板位移變化規(guī)律幾乎一致，只是在位移數(shù)值上有所差別，并且有所減小，最大減幅為26.37%。

2.2 地表傾斜分析

分析數(shù)值模擬結(jié)果，礦體回采引起了地表的不均勻下沉，改變了地表的原始坡度，形成了傾斜[5]。

(1)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m時(shí)地表傾斜如圖6、圖7所示。

圖6 頂板暴露面積為400 m2時(shí)地表傾斜值

圖7 頂板暴露面積為500 m2時(shí)地表傾斜值

(2)點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m時(shí)地表傾斜如圖8、圖9所示。

圖8 頂板暴露面積為400 m2時(shí)地表傾斜值

圖9 頂板暴露面積為500 m2時(shí)地表傾斜值

2.3 地表曲率分析

(1)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m時(shí)地表曲率如圖10、圖11所示。

圖10 頂板暴露面積為400 m2時(shí)地表曲率值

圖11 頂板暴露面積為500 m2時(shí)地表曲率值

(2)點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m時(shí)地表曲率如圖12、圖13所示。

圖12 頂板暴露面積為400 m2時(shí)地表曲率值

圖13 頂板暴露面積為500 m2時(shí)地表曲率值

2.4 地表水平變形分析

(1)點(diǎn)柱尺寸為4 m×4 m時(shí)地表水平變形如圖14、圖15所示。

圖14 暴露面積為400 m2時(shí)地表水平變形值

圖15 暴露面積為500 m2時(shí)地表水平變形值

(2)點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m時(shí)地表水平變形如圖16、圖17所示。

圖16 暴露面積為400 m2時(shí)地表水平變形值

圖17 暴露面積為500 m2時(shí)地表水平變形值

綜合上述地表變形分析，各模擬方案條件下的地表變形值見(jiàn)表3。

表3 各模擬方案條件下地表變形值

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)采場(chǎng)點(diǎn)柱尺寸一定時(shí)，地表變形值隨采場(chǎng)頂板暴露面積的增大而增大，當(dāng)頂板暴露面積一定時(shí)，地表變形值隨采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱尺寸的增大而減小。模擬的點(diǎn)柱尺寸及頂板暴露面積對(duì)地表移動(dòng)變形值均小于規(guī)程所允許值(傾斜i=±3 mm/m；曲率K=±0.2×10-3/m；水平變形ε=±2 mm/m)，因此選擇4 m×4 m點(diǎn)柱，頂板暴露面積500 m2時(shí)，可以減少點(diǎn)柱的損失量，與原有5 m×5 m點(diǎn)柱，頂板暴露面積400 m2的方案比較，可提高3%～5%的回收率，獲得的經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)。

[1] 鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開(kāi)采沉陷過(guò)程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003. Zou Youfeng，Deng Kazhong，Ma Weimin．Mining Subsidence Process in Mines[M]．Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003．

[2] 杜國(guó)慶.充填體中礦柱留設(shè)對(duì)地表沉降的影響[D].唐山：河北理工大學(xué)，2008. Du Guoqing．The Mineral Pillar Reservation to the Influence of Surface Subsidence in the Filling Body[D]．Tangshan：Hebei Polytechnic University，2008．

[3] 楊家冕，劉人恩,王 星.數(shù)值模擬在分層充填法采場(chǎng)參數(shù)選擇中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(3)：30-32. Yang Jiamian，Liu Renen，Wang Xing．Application of numerical simulation to stope parameters selection of the slicing and backfilling mining method[J]．Metal Mine，2013(3)：30-32．

[4] 孫國(guó)權(quán)，李 娟，胡杏保.基于FLAC3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2007(2)：29-32. Sun Guoquan，Li Juan，Hu Xingbao．FLAC3D-based stability analysis of mined-out area[J]．Metal Mine，2007(2)：29-32．

[5] 余學(xué)義，張恩強(qiáng).開(kāi)采沉陷學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010. Yu Xueyi，Zhang Enqiang．Learning for Mining Subsidence[M]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，2010．

[6] 朱建明，徐秉業(yè)，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中的應(yīng)用[J]．中國(guó)礦業(yè)，2000,9(4):78-81. Zhu Jianming，Xu Bingye，Zhu Feng．FLAC and its application in the mining engineering[J]．China Mining Magazine，2000,9(4):78-81．

[7] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000. State Coal Industry Bureau．Buildings，Water Bodies and Railways and the Main Shaft and the Coal Pillar and Press Coal Mining Regulations[S]．Beijing：China Coal Industry Publishing House，2000．

(責(zé)任編輯 石海林)

Influence Analysis on Surface Deformation Under DifferentPillar Sizes of Overhand Cut and Filling Mining Method

Yang Jiamian1,2,3Wang Shaoyuan1,2,3Wang Xing1,2,3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Manshan243000，China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Manshan243000，China;3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.,Ltd.，Manshan243000，China)

With the continuous development of China's national economy，the demand for mineral resource is increasing.Some "three-under" resources that was not worth mining in the past are gradually listed to be mined.It is a focus in the study of mining industry in recent years that how to recycle those resources safely，efficiently，economically and ensure the safety of the related facilities on the surface.The panel overhand cut and filling mining method which is suitable for low value resources is put forward based on the mining technology condition of Cangshan Iron Mine.Groups of parameters including pointed pillar size and exposed area of roof are primarily selected by reference to the similar mining experience.Then，the numerical simulation is used to analyze and predict its influence on surface deformation.The results show that the scheme with pillar size 4m×4m and exposed area of roof 500 m2is optimal，compared with other schemes.It improves the ore recovery by 3% ～ 5%.The simulation results show that the surface deformation value is less than the allowed under the recommended parameters.

Pointed pillar size，Numerical simulation，Surface deformation

2015-06-25

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAB07B02)。

楊家冕(1980—)，男，高級(jí)工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-046-05