尤 祎 劉福春

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

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近距離磷礦層水下開采采場穩(wěn)定性分析*

尤 祎 劉福春

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

為研究老虎洞磷礦近距離磷礦層水下開采時采場穩(wěn)定性，采用彈性力學方法計算了兩礦層采場允許最大暴露面積，結合ANSYS有限元分析軟件優(yōu)化了上向水平分層充填法采場結構參數，并對2種采礦方法多個采場同采進行了采場穩(wěn)定性分析。結果表明：采用上向水平分層充填法，采場垂直走向布置時，合理的礦房寬度應為6～8 m；2種采礦方法達到設計同采采場數目時，采場穩(wěn)定性較好，設計的采場結構參數能夠滿足安全高效回采的要求。

近距離磷礦層 緩傾斜中厚礦體 水下開采 采場穩(wěn)定性

老虎洞磷礦為近距離緩傾斜中厚礦體，主要賦存標高為0～800 m。礦體共有2層，上層為b礦層，傾角為15.2°，平均厚9.13 m，為鈣鎂質磷塊巖礦石，適宜于制造普通磷肥或磷酸；下層為a礦層，傾角為15.2°，平均厚16.95 m，為硅鈣質磷塊巖礦，適宜于制造高價值的黃磷。a、b礦層之間為夾層，平均厚3.99 m。開采時需考慮分采分運。礦區(qū)處于整個白云巖背斜傾伏端的地下水富集區(qū)，礦層底板為非可溶巖相對隔水層，底板不充水；礦層頂板為礦區(qū)主要含水層。因此，礦床為頂板直接充水的巖溶充水礦床，水文地質條件復雜，地表巖根河從南往北流經礦區(qū)，為水體下開采礦床。礦體頂板、礦體和夾層均以細晶白云巖為主，巖石具有硬、脆、碎的特點，穩(wěn)定性差；礦體底板為黏土質砂巖，穩(wěn)固性較好。礦巖硬度f=3～5。工程地質條件屬中等復雜類型。

針對該礦頂板充水、水下開采、近距離同采、礦巖穩(wěn)固性差等復雜開采技術條件，同時綜合考慮礦石的品位、價值以及兩礦層分采分運的需要，通過參照類似礦山生產實踐，對多種方案進行技術經濟比較，選用上向水平分層充填法和上向進路充填法進行開采。為保證安全高效開采，必須對采場穩(wěn)定性進行分析。

1 采場穩(wěn)定性分析方法

采場穩(wěn)定性分析方法可分為經驗法[1-2]、可靠度理論分析法[3]、數學模型解析法[4-5]及數值模擬分析法。經驗法及可靠度理論分析過于主觀，數學模型解析法只能大致計算采場暴露面積，而目前對于采場穩(wěn)定性的數值模擬僅限于單一礦層，對于復雜的近距離兩礦層同采則難以預判潛在危險。為此，采用彈性力學方法計算兩礦層采場允許最大暴露面積，結合ANSYS有限元分析軟件優(yōu)化上向水平分層充填法采場結構參數，并對2種采礦方法多個采場同采進行穩(wěn)定性分析。

2 采場頂板最大允許暴露面積計算

構建礦房力學模型(圖1)，x軸為垂直礦體走向方向，y軸為豎直方向，z軸為走向方向，xz平面為礦房頂板。根據該礦地表高程平均為1 100 m，初期最低開拓水平為400 m，則采場埋深約700 m。參照《中國大陸淺層地殼實測地應力分布規(guī)律研究》[6]，計算本礦垂直應力為18.97 MPa(0.027 1H)。根據埋深最大、最小水平主應力與垂直應力之比分別為0.83、0.5，由此計算最大、最小水平主應力分別為15.745，9.485 MPa。根據最大構造應力方向垂直于背斜走向，則該模型中最大水平主應力方向為垂直礦體走向，最小水平主應力方向沿礦體走向，則側壓系數λx=0.83，λz=0.5。

圖1 礦房力學模型

當θ2=π/2時，礦房頂板圍巖周邊應力為

(1)

式中,b為采場高度,m；a′為采場長度，m；a為采場寬度，m；λx、λz分別為x,z方向側壓系數；p為原巖鉛垂應力，kN。

假設礦房中央有巖石節(jié)理，而節(jié)理面的黏結力Cj=0，則節(jié)理面的抗剪強度只是摩擦阻力，按庫侖準則和式(1)可知：

(2)

式中,β為節(jié)理面與最大主平面夾角，(°)；φj為節(jié)理面的內摩擦角，(°)。

由于tanβ>tan(β-φj)>0，則σ2>σ3>0。初步確定礦房的長度和寬度，則考慮σ2>0，σ3>0，得：

(3)

礦房頂板暴露面積為

(4)

代入式(3)可得：

(5)

根據本礦勘探報告，β=70°～85°，φja=36.6°，φjb=35.1°。

對于上向水平分層充填法，采場垂直走向布置時，設b=8.3 m，由a<2b/(1/λz-1)，得a<2b，取a=15 m，則當β=70°～85°，φjb=35.1°時，σ2/σ3=3.94～9.62，代入式(1)、式(2)，可得a′=20.2～36.2 m，S=302.6～543.7 m2；當β=70°～85°，φja=36.6°時，σ2/σ3=4.17～10.15，代入式(1)、式(2)，可得a′=19.4～35.1 m，S=290.6～526.7 m2。

在現(xiàn)有技術條件下，很難確定礦房x、z方向的側壓系數和空區(qū)頂板的節(jié)理發(fā)育情況，故為確?？諈^(qū)穩(wěn)定，一般保守估計，大概確定礦房法的暴露面積。由于該礦b礦層位于頂板下部，b礦層采場上向分層開采時會采掉局部頂板，而a礦層位于夾層下部，且厚大，上向回采時盡量保護夾層，采場均在礦體內，因此,上部b礦層采場頂板允許最大暴露面積宜取302.6～543.7 m2，而下部a礦層采場頂板允許最大暴露面積宜取290.6～526.7 m2。

3 礦體開采數值模擬分析

由于初步計算的允許最大暴露面積值域較大，故需結合設計所選采礦方法，對采場結構參數及采場穩(wěn)定性進一步分析。ANSYS能夠模擬巖體從小到大的變形破壞過程，是一種有效的數值計算手段[7]，故采用該軟件分2組方案對不同開采條件下采場圍巖應力分布及巖層變形進行計算：①上向水平分層法礦房寬度分別為6,8,10,15 m時采場穩(wěn)定性；②2種采礦方法多個采場同時回采(達到盤區(qū)設計開采采場數目)時采場穩(wěn)定性。

3.1 礦巖物理力學參數

礦巖物理力學參數根據本礦地質報告中的數據取值，充填體的參數根據類似礦山實際資料取值，詳細模型參數取值見表1。

表1 模型參數取值

3.2 模型建立及邊界條件設定

以礦體賦存條件和物理力學性質為基礎，設計中段高度為50 m，盤區(qū)走向長120 m，礦體真傾角為20°，a、b礦層及中間夾層厚度取平均值，分別為16.95，9.13，4 m。采用上向分層充填法時，礦房寬度分別取6，8，10，15 m，分層高4.2 m。采用上向進路充填法時，進路寬4 m，高4.2 m。模型尺寸為360 m×1 112 m×300 m(長×寬×高)。模型中x軸為垂直礦體走向方向，y軸為豎直方向，z軸為走向方向，豎直方向自上而下分別為上盤圍巖、b礦層、夾層、a礦層、下盤圍巖。幾何模型見圖2。

圖2 采場幾何模型

施加位移邊界條件，約束4個側面x、z方向各自由度，底面x、y及z方向各自由度；對應力邊界條件主要考慮地應力場作用，對模型x方向側面施加最大水平應力15.745 MPa，z方向側面施加最小水平應力9.485 MPa，頂面施加垂直應力18.97 MPa。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 初始地應力下采場分層頂板位移

加載初始地應力場后，未開采的采場所在分層頂板處沉降曲線見圖3?？芍?，采場所在分層頂板沉降量為56.52～58.46 mm。

3.3.2 上向水平分層充填法不同礦房寬度采場穩(wěn)定性

上向水平分層充填法不同礦房寬度采場開采后覆巖垂直走向方向豎直應力云圖見圖4。

圖3 地應力場下采場頂板豎直方向位移曲線

由圖4可知，礦體開采后，采空區(qū)上方巖層重力將向周圍兩側新的支撐點轉移，在采空區(qū)頂板附近覆巖區(qū)域形成橢球形卸壓區(qū)，隨著采場寬度增大，開采后采場頂底板在豎直方向卸壓區(qū)范圍更大，卸壓程度也更為顯著，且距離采空區(qū)中心越近，采場頂板覆巖應力卸荷越劇烈。當礦房寬度達到10，15 m時，頂底板處均出現(xiàn)不同程度的拉應力，最大拉應力分別為1.41，8.82 MPa，且隨著礦房寬度增大，拉應力隨之增大；而礦房寬度在6，8 m時采空區(qū)周邊均未出現(xiàn)拉應力。

圖4 不同礦房寬度采場采后頂板豎直應力云圖(單位：MPa)

拾取關鍵點繪制路徑，得到采場所在分層頂板豎直方向累積位移曲線見圖5。礦房寬6，8，10，15 m 時，頂板累計位移值分別為62.85，66.84，73.12，86.50 mm。結合圖3，扣除地應力場作用下的初始位移，得開采引起的頂板最大沉降量分別為4.87，10.0，16.28，29.66 mm。

圖5 不同礦房寬度采場采后頂板豎直位移累積曲線

參照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》[8]所提出的容許極限相對位移判據：對于埋深500 m的Ⅳ～Ⅴ級圍巖，7 m

3.3.3 2種采礦方法多采場同時回采采場穩(wěn)定性

圖6為上向水平分層充填法垂直走向布置、采場寬8 m、同時開采4個采場時豎直方向應力云圖及累積位移曲線。可知，隨著同時回采采場數目增多，采場頂底板卸壓區(qū)范圍明顯增大，卸壓程度更為顯著，但采空區(qū)周邊圍巖均處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應力。此時頂板累計位移值為68.18 mm。結合圖4，扣除地應力場作用下的初始位移，得開采引起的頂板最大沉降量為11.34 mm，小于頂板允許極限沉降量29.4 mm，說明盤區(qū)內采用上向水平分層充填法，達到所設計的同時回采4個采場時，采場穩(wěn)定性較好。

圖6 上向水平分層充填法4采場頂板豎直應力云圖及位移曲線

圖7為采用上向進路充填法開采6個采場后采場覆巖豎直方向應力云圖及累積位移曲線?？芍V體采出后，采場頂底板沿礦層傾斜方向形成卸壓區(qū)，而在采空區(qū)兩側形成支撐壓力帶。隨著分層內采場數目增加，支撐壓力帶范圍在垂直礦體走向方向隨之增大。隨著開采采場數目的增多，各采場頂板沉降量呈增大趨勢，在第6個采場開采完成時，采場頂板最大累計沉降量達到69.13 mm，結合圖3，扣除地應力場作用下的初始位移，得開采引起的頂板最大沉降量為11.91 mm，小于頂板允許極限沉降量29.4 mm，說明盤區(qū)內采用上向進路充填法，達到所設計的同時回采6個采場時，采場穩(wěn)定性較好。

圖7 上向進路充填法6采場頂板豎直應力云圖及位移曲線

4 結 論

(1)不同礦房寬度采場穩(wěn)定性模擬表明：礦房寬15 m時，頂板最大沉降量超過允許極限相對位移量，采場頂板存在破壞可能。礦房寬10 m時，頂板沉降量較大，采場頂板暴露面積接近最大允許暴露面積，開采時頂板存在失穩(wěn)隱患。當礦房寬度為6，8 m時，采場頂板沉降量較小，且a、b礦層采場頂板暴露面積均小于最大允許暴露面積，說明采場穩(wěn)定性受開采影響較小，采場穩(wěn)定性較好。故采用上向水平分層充填法，采場垂直走向布置時，合理的礦房寬度應為6～8 m。

(2)多個采場同時回采采場穩(wěn)定性模擬表明：2種采礦方法達到設計同采采場數目時，采場頂板最大沉降量小于頂板允許極限沉降量，采場穩(wěn)定性較好，說明設計的采場結構參數能夠滿足安全高效回采的要求。

[1] 周科平,朱和玲,高 峰.采礦環(huán)境再造地下人工結構穩(wěn)定性綜合方法研究與應用[J].巖石力學與工程學報,2012(7):1429-1436.

[2] 肖木恩.模糊數學在采礦方法選擇中的應用[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2003,23(1):15-17.

[3] 董 蕾.采動結構參數優(yōu)化設計及可靠度分析[D].長沙：中南大學,2010.

[4] 趙國彥,盧俊華,劉志祥.房柱交替上升式采礦工藝時空變換力學分析[J].礦冶工程,2012(1):1-4，8.

[5] Barzanti L,Gaspari M,Saletti D.Modeling decision making in fund raising management by a fuzzy knowledge system[J].Expert Systems with Application,2009,36(5):9466-9468.

[6] 景 鋒,盛 謙,張勇慧,等.中國大陸淺層地殼實測地應力分布規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報,2007(10):2056-2062.

[7] 王國富,張超凡,張法全,等.分段采礦法采場穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2011(9):65-67.

[8] 中鐵二院工程集團有限責任公司.TB 10121—2007鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

Stope Stability Analysis of Close Distance Phosphate Layers While Underwater Mining

You Yi Liu Fuchun

(Changsha Engineering And Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy,Changsha)

In order to study the stope stability of close distance layers which is underwater mining in Laohudong phosphate mine,the maximum exposed roof area of stope in two layers were calculated by elasticity method,structural parameters of the upward cut and fill mining method were optimized，and the stability of two mining methods with multiple stopes were analyzed by the software ANSYS.The results show that，the reasonable width of the room should be 6 to 8 m when the stope layout is vertical direction by upward cut and fill mining method.The stope stability is good while meet to the number designed by two methods,and the stope structural parameters designed could satisfy the requirements of safe and efficient mining.

Close distance phosphate layers，Gentle dip and medium thickness ore body，Underwater mining，Stope stability

*國家重點研發(fā)計劃項目(編號：2016YFC0801600)。

2016-09-29)

尤 祎(1987—)，男，工程師，碩士，410001 湖南省長沙市木蓮東路299號。