許長新

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦)

?

石人溝鐵礦二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

許長新

(河北鋼鐵集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦)

摘要為確保石人溝鐵礦二步采場的生產(chǎn)能力和安全性，采用FLAC3D軟件對不同參數(shù)的二步采場穩(wěn)定性進行了分析，得到了安全高效的采場參數(shù)。通過分析各參數(shù)開采過程中采場頂板的應(yīng)力和位移變化特征，結(jié)合頂板應(yīng)力與位移分布云圖，分析了各參數(shù)采場在開采過程中的穩(wěn)定情況。結(jié)果表明：當采場寬為34～35 m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力值超出其極限抗拉強度，且最大拉應(yīng)力的分布區(qū)域占頂板的90%以上，同時頂板最大位移量達45 mm，頂板易發(fā)生拉伸破壞而產(chǎn)生冒頂或垮塌危險。因此，綜合石人溝鐵礦的采場生產(chǎn)能力和安全要求，二步采場的寬度宜設(shè)定為30 m。

關(guān)鍵詞二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最大拉應(yīng)力數(shù)值模擬

隨著采礦裝備和采礦技術(shù)的迅速發(fā)展，高分段充填采礦法在黑色金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用[1]。為保證礦山生產(chǎn)能力，提高采場生產(chǎn)效率，降低采礦成本，提高礦山經(jīng)濟效益，大多礦山采用兩步驟回采順序，即先采礦房，待礦房充填后再采礦柱。礦房開采過程中其側(cè)幫為礦體圍巖，采場穩(wěn)定性好，作業(yè)安全，生產(chǎn)效率和能力較大；礦柱開采過程中其側(cè)幫為充填體，其強度遠小于礦體原巖，同時礦柱受集中應(yīng)力作用以及爆破振動的影響，其自身的強度及完整性較差，采場的穩(wěn)定性較差，增加了礦柱的開采難度[2]。因此，由于礦房和礦柱的開采環(huán)境相差較大，礦房和礦柱的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)宜分別進行優(yōu)選分析，從而有效保證礦房礦柱安全、經(jīng)濟、高效回采。

1　工程背景

石人溝鐵礦[3-4]是大型露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，目前以地下開采為主。該礦為鐵硅質(zhì)沉積建造變質(zhì)鐵礦床，礦石自然類型為石英巖型磁鐵礦，礦體厚10～50m，傾角65°～75°，平均70°，礦體圍巖為黑云角閃斜長片麻巖、含鐵斜長片麻巖、磁鐵石英巖及中—基性巖脈，礦巖巖堅硬、穩(wěn)固性好。石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采分3期進行建設(shè)，地下3期工程開采范圍為-60～-180m中段，設(shè)計年產(chǎn)鐵礦石200萬t。根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件，結(jié)合礦山對設(shè)計生產(chǎn)能力及二步采場開采中存在的問題，采用分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法開采，Simba1254臺車鉆鑿扇形中深孔炮孔，孔底距1.8～2.2m，排距2～2.2m。

2　二步采場參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1計算模型構(gòu)建

參照現(xiàn)有的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，將4～5倍開挖直徑的區(qū)域作為采場圍巖范圍。因此，模型分為4個部分，分別為采場上覆荷載、一步采場充填體、采場礦體及采場底板(圖1)。

圖1　計算模型

2.2二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

根據(jù)國內(nèi)采用分段充填采礦法礦山的相關(guān)經(jīng)驗，通過分析對比并參照目前石人溝鐵礦開采的實際情況，采場模擬選擇的一步采場寬度為20m，長度為礦體厚度[5]。為確定二步采場合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)石人溝鐵礦分段充填采礦法的開采特點與一步采場開采的穩(wěn)定情況，二步采場的寬度取25，30，35m，采場長度為礦體厚度，具體模擬方案見表1。

2.3巖石力學參數(shù)

石人溝鐵礦礦體由磁鐵石英巖組成，圍巖為角閃片麻巖。通過對礦區(qū)巖石工程地質(zhì)調(diào)查、上下盤巖石取樣測試及充填體強度試驗，采用RMR巖體工程質(zhì)量分級法并結(jié)合霍克-布朗公式，得出了礦區(qū)巖體和充填體的力學參數(shù)，見表2。

表1　進路結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

表2　礦區(qū)巖體與充填體物理力學參數(shù)

3　數(shù)值模擬分析

二步采場頂板主要有2種破壞形式[4]：①頂板上部荷載作用較大導致采場頂板發(fā)生較大變形而發(fā)生破壞；②開采后頂板拉應(yīng)力超出其自身的極限抗拉強度而發(fā)生拉伸破壞。本研究主要分析不同跨度二步采場開采過程中頂板的位移和應(yīng)力變化，從而優(yōu)選出合理的采場參數(shù)。

3.1應(yīng)力分析

不同寬度的二步采場開挖過程中頂板最大拉應(yīng)力的變化特征見圖2。由圖2可知：隨著二步采場跨度的逐漸增大，頂板最大拉應(yīng)力也逐漸增大，且頂板最大拉應(yīng)力的變化率逐漸變大。當采場寬度由25m變?yōu)?0m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力增幅為0.165MPa/m；當采場寬度由30m變?yōu)?5m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力增幅為0.34MPa/m；當采場跨度為34～35m時，采場頂板最大拉應(yīng)力為4.68～4.88MPa，超出了采場頂板的極限抗拉強度，頂板易發(fā)生拉伸破壞而發(fā)生冒落或垮塌，威脅采場安全。

圖2　采場頂板最大拉應(yīng)力變化特征

采場頂板應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可知：當采場寬度為25m時，采場頂板的中部出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力，其分布區(qū)域在采場頂板較?。划敳蓤隹缍葹?0m時，采場頂板出現(xiàn)了明顯的最大拉應(yīng)力區(qū)，其分布區(qū)域占采場頂板的35%；當采場跨度為35m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力區(qū)非常明顯，且其分布區(qū)域占采場頂板的90%以上，采場頂板的巖石將發(fā)生拉伸破壞，脫離頂板發(fā)生垮塌或冒頂，嚴重威脅采場安全。

圖3　采場頂板應(yīng)力云圖

3.2位移分析

不同寬度的二步采場開挖過程中頂板的位移變化特征如圖4所示。由圖4可知：隨著二步采場寬度的逐漸增大，頂板最大位移量也逐漸增大，且頂板位移的變化率逐漸變大，當采場寬度由25m變?yōu)?0m時，頂板位移量的增幅為1.95mm/m，當采場寬度由30m變?yōu)?5m時，頂板位移量的增幅為3.03mm/m；當采場寬度為33～35m時，采場頂板的最大位移量達40mm。由國內(nèi)外礦山開采的工程實際經(jīng)驗可知[6]，當采場寬度較大，采場頂板的位移量接近或超過50mm時，其自身穩(wěn)定性較差，因此，該寬度下的二步采場穩(wěn)定性相對較差，威脅采場作業(yè)人員安全。

采場頂板位移云圖如圖5所示。由圖5可知：當采場跨度為25m時，采場頂板中部出現(xiàn)的最大位移量為19.8mm，其分布區(qū)域在采場頂板較小；當采場跨度為30m時，采場頂板出現(xiàn)明顯的最大位移量為29.56mm，其分布區(qū)域占采場頂板90%以上，沉降均勻；當采場跨度為35m時，采場頂板的最大位移量為44.7mm，其分布區(qū)域的寬度為采場寬度的1.5倍，采場頂板與圍巖均產(chǎn)生變形，巖石易脫離頂板發(fā)生垮塌或冒頂，對采場的安全生產(chǎn)造成威脅。在采場底部出現(xiàn)較明顯的底鼓，其位移量較小，對生產(chǎn)安全的影響較小。

圖4　采場頂板最大位移變化特征

4　結(jié)　論

(1)二步采場頂板的拉應(yīng)力及其變化率呈逐漸增長的趨勢，當二步采場跨度為34～35m時，頂板最大拉應(yīng)力達4.68～4.88MPa，超出了其極限抗拉強度，且其分布區(qū)域占采場頂板的90%以上，頂板易發(fā)生拉伸破壞導致采場安全性差。

(2)二步采場頂板的位移量及其變化率呈逐漸增長的趨勢，當二步采場跨度為33～35m時，頂板最大位移量達40mm，根據(jù)工程實際經(jīng)驗判別采場頂板易出現(xiàn)局部冒落，自穩(wěn)性較差。

(3)綜合考慮礦山采場生產(chǎn)能力和安全性要求，建議二步采場寬度為30m，在開采過程中對局部不穩(wěn)定的部位需加強支護。

參考文獻

[1]古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2]劉志義，侯金亮，趙國彥，等. 二步采場上盤圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用[J].金屬礦山，2015(11)：143-148.

圖5　采場頂板位移云圖

[3]張建勇，蘇建軍.石人溝鐵礦三期工程采礦方法選擇[J].金屬礦山，2013(1)：23-26.

[4]張海波，宋衛(wèi)東.空場嗣后充填開采充填體與圍巖作用機理研究[J].化工礦物與加工，2014(1)：41-44.

[5]溫占國，張從軍，季志才.石人溝鐵礦三期開采方法的探討[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(9)：30-33.

[6]劉志義，張麗春，趙國彥，等.基于FLAC3D的二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用[J].金屬礦山，2015(10)：6-10.

(收稿日期2016-05-23)

許長新(1970—)，男，工程師，064200 河北省遵化市。