肖益蓋 王 星 楊家冕

(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家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

桃沖礦業(yè)公司長龍山鐵礦在淺部曾采用露天開采，轉(zhuǎn)入地下開采之后采用崩落法回采。其0m水平以上為急傾斜厚大礦體，礦體向南傾。但是從0m水平以下后由急傾斜礦體變?yōu)榫弮A斜礦體，且礦體由南向北傾斜，在剖面上礦體發(fā)生了倒轉(zhuǎn)，基本呈鐮刀狀。礦山現(xiàn)有生產(chǎn)水平正處于倒轉(zhuǎn)部位，由于次生應(yīng)力分布所致，回采過程中在0m水平的下盤位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)上盤出現(xiàn)了懸頂危險(xiǎn)，隨著開采深度的逐漸變大，礦山地壓活動(dòng)日漸復(fù)雜，工程布置和維護(hù)難度加大，所以需要結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行深部復(fù)雜地壓分布規(guī)律的探究，為礦山提供理論參考依據(jù)。

1 工程概況

主礦體地表出露于礦床東部，礦體呈似層狀，產(chǎn)在黃龍組灰?guī)r與棲霞組之間，賦存標(biāo)高為320～－235 m。主礦體沿走向長600 m，地表延伸380 m，最厚處約110 m。礦體走向75°～80°，地表礦體向南傾，深部向北傾，最大延深＞600 m。其傾斜由地表至+50m標(biāo)高一般較陡，向南傾，傾角60°～90°;+50至－200 m處礦體向北緩傾，傾角20°～30°。

礦體的頂板巖石，主要為棲霞組灰?guī)r。其巖性一般較致密，但深部的棲霞灰?guī)r，一般含瀝青質(zhì)、炭質(zhì)高，局部大理巖化較強(qiáng)，因此巖石穩(wěn)定性降低。尤其是礦體與灰?guī)r的接觸帶上，巖石性脆易碎、局部松散。礦體底板巖石有4種，主要是石榴石矽卡巖和棲霞組灰?guī)r，少量黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r和五通組石英砂巖，屬硬質(zhì)巖，巖石質(zhì)量中等，穩(wěn)定性較強(qiáng)?？偟牡装鍘r石，屬基本穩(wěn)定，局部與礦體接觸帶棲霞組大理巖化灰?guī)r，弱風(fēng)化，故穩(wěn)定性較差。

長龍山鐵礦深部礦體為主礦體的延深，巖礦層均為堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖層，除局部地段較軟弱破碎外，一般穩(wěn)固性中等～好，區(qū)內(nèi)風(fēng)化及巖溶作用一般。屬以堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖層為主，工程地質(zhì)條件中等的礦床類型。

2 深部復(fù)雜地壓崩落法回采數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型建立

結(jié)合桃沖礦業(yè)公司長龍山鐵礦的礦體賦存條件和所采用的無底柱分段崩落法的特點(diǎn)，以桃沖礦業(yè)公司長龍山鐵礦05、09、W01勘探線為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值模擬。最終確定單空區(qū)穩(wěn)定性分析和單翼推進(jìn)回采2個(gè)方案，進(jìn)行回采數(shù)值計(jì)算。建模如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

2.2 邊界條件

由于在建模過程中已經(jīng)考慮了進(jìn)行深部回來時(shí)造成的周邊影響范圍，所以加載邊界條件時(shí)在模型的除頂面以外的其余各面施加固定約束，其頂面留置為自由邊界。

2.3 初始應(yīng)力及巖體力學(xué)參數(shù)

初始地應(yīng)力和巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)于數(shù)值計(jì)算至關(guān)重要，由于礦山尚未進(jìn)行有關(guān)的地應(yīng)力測(cè)量，所以在計(jì)算模型中采用以自重應(yīng)力場(chǎng)為主的初始應(yīng)力模擬。

根據(jù)桃沖礦業(yè)公司長龍山鐵礦的工程地質(zhì)條件，將室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得的參數(shù)進(jìn)行折減，見表1。

2.4 模擬方案

影響回采過程中0 m以上下盤和倒轉(zhuǎn)部位礦巖體穩(wěn)定性的因素很多，本次數(shù)值模擬計(jì)算考慮的因素主要有礦體圍巖、采礦方法及其參數(shù)和回采順序等。設(shè)定的數(shù)值模擬方案如下。

表1 長龍山鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)Table1 Rock massm echanics parameters of Changlongshan orem ine

(1)地應(yīng)力場(chǎng)的形成。模型建立完成之后，使其以自重應(yīng)力場(chǎng)為主達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)［1］。

(2)采場(chǎng)的形成。依據(jù)礦山所采用的無底柱分段崩落法結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行井下采場(chǎng)模型的構(gòu)建。

(3)模擬計(jì)算單采場(chǎng)最大安全暴露面積。分別計(jì)算單采場(chǎng)暴露面積為962 m2、1 650 m2、2 269 m2的3種條件下圍巖及倒轉(zhuǎn)部位應(yīng)力應(yīng)變情況及塑性區(qū)分布狀態(tài)，進(jìn)而判斷在單采場(chǎng)條件下的最大安全可暴露面積。

(4)進(jìn)行不同回采順序條件下礦巖體及倒轉(zhuǎn)部位穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。依據(jù)礦山采礦方法和采礦順序按沿走向方向單翼推進(jìn)回采的方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

上述每個(gè)步驟的計(jì)算均在前一步開采計(jì)算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，并且逐步推進(jìn)和計(jì)算，從而客觀地反映了前步開采對(duì)下一步開采的疊加效應(yīng)［2］，同時(shí)，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過程中對(duì)圍巖的應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 模擬結(jié)果

數(shù)值計(jì)算得到了各方案下的最大和最小主應(yīng)力云圖以及圍巖位移的記錄曲線，如圖2～圖13所示。圖中應(yīng)力單位為MPa。

(1)單采場(chǎng)最大安全暴露面積模擬。

圖2 962m2最大主應(yīng)力Fig.2 M aximum principal stress of 962 m2

圖3 962m2最小主應(yīng)力Fig.3 M inimum principal stress of 962 m2

圖41 650 m2最大主應(yīng)力Fig.4 M aximum principal stress of 1 650m2

圖51 650 m2最小主應(yīng)力Fig.5 M inimum principal stress of 1 650m2

圖62 750 m2最大主應(yīng)力Fig.6 M aximum principal stress of 2 750m2

圖72 750 m2最小主應(yīng)力Fig.7 M inim um p rincipal stress of 2 750 m 2

(2)單翼推進(jìn)回采。根據(jù)礦山所采用的無底柱分段崩落采礦法，分段高度為12.5m，進(jìn)路間距為12.5m，本方案中分段內(nèi)進(jìn)路回采順序?yàn)閱我硗七M(jìn)回采，即從礦體走向的一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)。

圖8 初期回采最大主應(yīng)力Fig.8 M aximum principal stress in initial stage

圖9 初期回采最小主應(yīng)力Fig.9 M inimum principal stress in initial stage

圖10 初期回采后上覆巖體及倒轉(zhuǎn)部位位移記錄曲線Fig.1 0 Displacement curve of inverted position in initial stage

圖11 后期回采最大主應(yīng)力Fig.1 1 M axim um principal stress in later stage

圖12 后期回采最小主應(yīng)力Fig.1 2 M inimum principal stress in later stage

圖13 后期回采后上覆巖體及倒轉(zhuǎn)部位位移記錄曲線Fig.1 3 Disp lacement curve of inverted position in later stage

2.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，在礦山現(xiàn)有無底柱分段崩落法參數(shù)條件下，七中段采用單翼推進(jìn)回采時(shí)，上覆巖層和倒轉(zhuǎn)部位的應(yīng)力分布狀態(tài)在原崩落覆蓋層上下盤呈現(xiàn)異差。進(jìn)行初期回采時(shí)，上覆巖層的最大主應(yīng)力在垂直方向上基本成層狀分布，崩落的覆蓋層釋放了次生應(yīng)力分布所產(chǎn)生的能量，使得0m以上下盤次生應(yīng)力小于上盤最大主應(yīng)力。倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為4.0～6.0 MPa，小于同水平上盤巖體內(nèi)的應(yīng)力，倒轉(zhuǎn)部位最大位移為10.44 cm，七中段采場(chǎng)上覆巖體最大位移為20.41 cm。

隨著回采工作的進(jìn)行，至中期回采時(shí)，最大主應(yīng)力產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在七中段－32 m分段的上盤礦巖接觸帶中，最大值為17.9 MPa。倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為4.0～5.0 MPa，初現(xiàn)弱減趨勢(shì)。此時(shí)最大位移出現(xiàn)在下部－7m水平，為4.14m，即為上覆巖層的崩落。倒轉(zhuǎn)部位最大位移為13.03 cm。

至后期回采時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在－57m水平上盤礦巖交界處，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為14.8 MPa，并在上盤中央出現(xiàn)卸壓區(qū)。倒轉(zhuǎn)部位最大主應(yīng)力為4.0～5.0 MPa。最大位移仍然在下部－7 m水平，為5.77 m，表現(xiàn)為上覆巖層的崩落。倒轉(zhuǎn)部位的最大位移為17.56 cm，至回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位的位移呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位退出塑性屈服狀態(tài)，七中段整體上盤有25 m左右范圍處于拉伸塑性屈服狀態(tài)，并且在計(jì)算結(jié)束時(shí)尚未退出屈服狀態(tài)。

由上可以，采用單翼回采方式時(shí)，最大主應(yīng)力隨著七中段的回采過程逐漸變動(dòng)，并在七中段上盤礦巖交界處表現(xiàn)明顯，呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。上部倒轉(zhuǎn)部位的最大主應(yīng)力為6.0 MPa，并在回采過程中呈現(xiàn)穩(wěn)定。最大位移隨著回采步驟的進(jìn)行也呈現(xiàn)異差，整體最大位移出現(xiàn)在－7 m水平頂板位置，并且逐漸增大，至回采結(jié)束時(shí)，最大位移為5.77m。根據(jù)位移監(jiān)測(cè)記錄可以看出，倒轉(zhuǎn)部位的最大位移隨回采過程的進(jìn)行也逐漸增大，但增長率遠(yuǎn)小于七中段上覆巖層，至回采結(jié)束時(shí)，倒轉(zhuǎn)部位最大位移為17.56 cm，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)對(duì)單采場(chǎng)最大安全暴露面積的數(shù)值模擬，結(jié)合收斂性判據(jù)、塑性區(qū)判據(jù)，并考慮安全系數(shù)，在單采場(chǎng)條件下，桃沖礦業(yè)公司長龍山鐵礦單采場(chǎng)頂板最大安全暴露面積控制在1 700 m2以內(nèi)是合理可行的。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用單翼回采時(shí)，影響了上覆巖層和倒轉(zhuǎn)部位的應(yīng)力分布，地壓在走向中央呈逐漸卸壓狀態(tài)，在上盤礦巖交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在0 m水平以上工程所在位置地壓有所增大，局部區(qū)域處于塑性屈服狀態(tài)，倒轉(zhuǎn)部位有冒落的可能性。

(3)建議礦山采用單翼推進(jìn)回采方案，監(jiān)測(cè)0 m水平以上工程的穩(wěn)定性。

［1］ 吳 昊.數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，25:122.

Wu Hao.The application of numerical simulation inmining engineering［J］.Science and Technology Innovation and Application，2014，25:122.

［2］ 王培濤，楊天鴻，柳小波.邊孔角對(duì)無底柱分段崩落法放礦影響的顆粒流數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2010(3):12-16.

Wang Peitao，Yang Tianou，Liu Xiaobo.Numerical study on caving state of overlying rock and ore-body by caving method［J］.Metal Mine，2010(3):12-16.