王文中，方暄東，王文杰，楊孝亮

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基于數(shù)值分析的金山店鐵礦兩中段強(qiáng)采方案研究

王文中1，方暄東1，王文杰2, 3，楊孝亮2, 3

(1.武鋼資源集團(tuán)金山店礦業(yè)有限公司，湖北 大冶市 435116；2.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

針對(duì)金山店鐵礦東西區(qū)生產(chǎn)中段不平衡問(wèn)題，提出了東區(qū)?410，?340 m兩中段同步回采的強(qiáng)采方案，以加快東區(qū)下降速度，并基于FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)3種方案進(jìn)行了分步開挖模擬。分析結(jié)果表明，下中段礦體的同步回采，對(duì)上中段采場(chǎng)頂、底板及圍巖的應(yīng)力分布均有一定的擾動(dòng)，但最大應(yīng)力值、位移值均在安全允許范圍內(nèi)，兩中段強(qiáng)采方案在安全性上是合理可行的，不同回采順序下的3種方案模擬結(jié)果綜合對(duì)比表明，方案二在穩(wěn)定性上為最優(yōu)方案。

金山店鐵礦；兩中段同步回采；下向進(jìn)路充填法；崩落法

金山店鐵礦是武鋼資源集團(tuán)大型地下礦山之一，主要采用無(wú)底柱分段崩落法生產(chǎn)，年產(chǎn)礦石量350 萬(wàn)t。設(shè)計(jì)階段高度為70 m，分段高度為14 m，進(jìn)路間距為10 m。近年來(lái)，由于各種因素的影響，導(dǎo)致張福山采區(qū)東區(qū)和西區(qū)下降速度不一致，形成了多中段開采的局面，即下降速度較快的西區(qū)提前進(jìn)入?410 m中段進(jìn)行生產(chǎn)，而東區(qū)仍然在?340 m中段生產(chǎn)。這種連續(xù)礦體多中段開采的局面導(dǎo)致了眾多問(wèn)題，如安全問(wèn)題、運(yùn)輸提升問(wèn)題、通風(fēng)問(wèn)題及生產(chǎn)組織優(yōu)化問(wèn)題等。因此，需要在保證礦山產(chǎn)量和安全的前提下，加大東區(qū)的開采力度，力求在最短的時(shí)間內(nèi)，將東區(qū)的生產(chǎn)進(jìn)度追上西區(qū)，從而有效解決東西區(qū)生產(chǎn)中段不平衡的問(wèn)題。為此，需要提出合理的東區(qū)回采方案。許多研究者已經(jīng)針對(duì)金山店鐵礦的回采方法及回采順序等做出了有意義的工作[1?2]。因此，結(jié)合相關(guān)采礦技術(shù)資料，在東區(qū)礦體產(chǎn)狀復(fù)雜、工程地質(zhì)條件差的背景下，擬采用崩落法+上向進(jìn)路充填法或崩落法+下向進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，并進(jìn)一步提出了東區(qū)?340 m中段及?410 m中段同時(shí)開采的強(qiáng)采方案。

上、下中段同時(shí)回采，會(huì)給上中段巷道、采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布造成一定的擾動(dòng)。而在金山店鐵礦松軟型礦巖的開采環(huán)境下，兩中段強(qiáng)采方案能否保證采場(chǎng)的穩(wěn)定性，滿足安全開采的要求，需要做出科學(xué)的分析論證[3]。巖體是一種特殊的介質(zhì)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)雜，且具有各向異性和非均勻性，其穩(wěn)定性問(wèn)題無(wú)法用解析方法簡(jiǎn)單求解。相比之下，數(shù)值分析法具有較好的適用性，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)值模擬的方法越來(lái)越多地為采礦工程計(jì)算分析所 用[4?7]。本文通過(guò)FLAC3D軟件，對(duì)兩中段同步回采的3種強(qiáng)采方案進(jìn)行了分步開挖的模擬計(jì)算，研究在不同回采方法和回采順序下礦巖的應(yīng)力分布、位移變化及回采區(qū)開挖對(duì)附近礦巖的擾動(dòng)情況等，并對(duì)不同方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，期望為選擇合理的強(qiáng)采方案提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 兩中段強(qiáng)采方案

目前，金山店鐵礦東區(qū)主開采水平為?312 m水平，?326 m水平正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程掘進(jìn)。兩中段強(qiáng)采，是指在東區(qū)?340 m中段開采的同時(shí)，開始?410 m中段的開采。參考相關(guān)采礦技術(shù)資料和工程技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合張福山東區(qū)的開采條件，?340 m中段仍采用無(wú)底柱分段崩落法開采，?410 m中段擬采用上向進(jìn)路充填法或下向進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，并形成了2種強(qiáng)采方案，即崩落法+上向進(jìn)路充填法兩中段強(qiáng)采方案和崩落法+下向進(jìn)路充填法兩中段強(qiáng)采方案。

(1)崩落法+上向進(jìn)路充填法兩中段強(qiáng)采方案。東區(qū)?340 m中段采用無(wú)底柱分段崩落法，在階段內(nèi)自上而下開采，?410 m中段采用上向進(jìn)路充填法，在階段內(nèi)自下而上開采，2種采礦方法的開采順序不同。東區(qū)上中段的?326 m分段開采完成后，將設(shè)備和人員轉(zhuǎn)到下中段的?396 m分段進(jìn)行上向開采直至下中段采完，最后完成上中段?340 m分段的開采。此方案以下稱為方案一。

(2) 崩落法+下向進(jìn)路充填法兩中段強(qiáng)采方案。東區(qū)?340 m中段采用無(wú)底柱分段崩落法，在階段內(nèi)自上而下開采，東區(qū)?410 m中段采用下向進(jìn)路充填法，在階段內(nèi)自上而下開采。然而，東區(qū)?410 m中段采用下向進(jìn)路充填法開采時(shí)，并不能從?340 m分段或?354 m分段進(jìn)行開采，因?yàn)檫@兩個(gè)分段的開采都將影響?340 m中段的崩落法開采。此時(shí)，東區(qū)的開采順序可能有2種方式：一是崩落法開采上中段?312 m分段和?326 m分段，同時(shí)從?368 m分段開始采用下向進(jìn)路充填法開采至?396 m分段，最后回到上部采用崩落法開采?340 m分段和?354 m分段，至此完成東區(qū)?410 m中段的開采。此方案以下稱為方案二；二是崩落法開采上中段?312 m分段和?326 m分段后，崩落法開采?340 m分段和?354 m分段，同時(shí)從?368 m分段開始采用下向進(jìn)路充填法開采至?396 m分段，全部回采結(jié)束后，完成東區(qū)?410 m中段的開采。此方案以下稱為方案三。

2 兩中段強(qiáng)采方案數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

通過(guò)收集整理礦區(qū)資料，得到了礦山地形圖、階段工程分布圖等，作為建立模型的基礎(chǔ)資料。金山店鐵礦礦體形態(tài)為不規(guī)則型，為了準(zhǔn)確表現(xiàn)礦體和采區(qū)狀態(tài)，借助于ANSYS數(shù)值分析軟件前處理功能建立金山店鐵礦數(shù)值計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格后，再通過(guò)接口轉(zhuǎn)化程序?qū)隖LAC3D進(jìn)行計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)FLAC3D建模的快速便捷化[8?9]。

建立的模型在長(zhǎng)度X方向上取3000 m，寬度Y方向上取1800 m，高度Z方向上取900 m至地表，模型邊界條件采用位移約束，即左右X方向、前后Y方向位移均固定為0，Z方向?yàn)樽杂沙两?；底面為全約束，地表作為自由面。在初始應(yīng)力場(chǎng)的取值上采用原巖應(yīng)力場(chǎng)和重力場(chǎng)迭加，形成計(jì)算中的初始應(yīng)力場(chǎng)。模型中原巖應(yīng)力為：最大主應(yīng)力為南北方向的1.5倍自重應(yīng)力；次應(yīng)力為東西方向的0.75倍自重應(yīng)力。最終生成的模型如圖1所示。

本次計(jì)算中，模擬開挖步驟是同一分段幾個(gè)礦房或幾個(gè)分段一次性開挖，模擬開采是在前一計(jì)算步驟的應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，施加開采釋放荷載，求解開采后的應(yīng)力場(chǎng)。

圖1 金山店鐵礦東區(qū)礦體模型

中科院武漢巖土力學(xué)研究所已經(jīng)對(duì)金山店鐵礦東、西區(qū)分別進(jìn)行了較系統(tǒng)的巖石力學(xué)研究，并對(duì)礦巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析。故本次數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)采用其推薦的金山店鐵礦東區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)值。對(duì)于充填體的物理力學(xué)參數(shù)，采用查閱文獻(xiàn)、類比其它礦山的方法確定，此處選取灰砂比1:4的膠結(jié)充填材料的參數(shù)值，具體參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 分步開挖結(jié)果分析

建立好礦體模型并施加邊界條件后，首先進(jìn)行初始化平衡，生成初始應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。然后進(jìn)行開挖計(jì)算分析，便可得到礦(圍)巖各個(gè)方向的應(yīng)力分布圖、位移分布圖、塑性區(qū)分布圖等等。對(duì)于每種強(qiáng)采方案，選擇代表性的3個(gè)開挖步驟進(jìn)行分析。限于篇幅，只列出方案二分步開挖過(guò)程中最大主應(yīng)力及位移分布圖進(jìn)行分析。方案二模擬開挖的步驟如表2所示。

表1 金山店鐵礦東區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

表2 方案二開挖步驟

為了觀察分析上下兩階段回采過(guò)程中圍巖、采場(chǎng)的穩(wěn)定性狀況，選取礦體中部最厚的部位，即理論上穩(wěn)定性較差的區(qū)域剖面圖作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。其最大主應(yīng)力、位移變化情況如圖2~圖7所示(圖中壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正；下向位移為負(fù)，上向位移 為正)。

圖2 一步驟開挖最大主應(yīng)力分布

圖3 一步驟開挖Z向位移分布

圖4 二步驟開挖最大主應(yīng)力分布

圖5 二步驟開挖Z向位移分布

圖6 三步驟開挖最大主應(yīng)力分布

圖7 三步驟開挖Z向位移分布

從最大主應(yīng)力分布圖可以看出，礦體開挖后，礦(圍)巖中應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布。由于礦體開挖形成采空區(qū)導(dǎo)致原巖中的應(yīng)力釋放，在空區(qū)周圍形成卸壓區(qū)及局部的應(yīng)力集中區(qū)。上部利用崩落法回采的區(qū)域，在采空區(qū)頂板邊角處出現(xiàn)壓應(yīng)力顯著增大的應(yīng)力集中區(qū)。兩側(cè)圍巖及底板處出現(xiàn)壓應(yīng)力顯著減小并逐漸發(fā)展成拉應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)。下部利用充填法回采的區(qū)域，在底板附近出現(xiàn)壓應(yīng)力顯著增大的應(yīng)力集中區(qū)，充填體內(nèi)部及頂板附近形成卸壓區(qū)，應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，只在局部表現(xiàn)出拉應(yīng)力。隨著開挖的進(jìn)行，壓應(yīng)力最大值由31.9 MPa逐漸增至36 MPa，壓應(yīng)力平穩(wěn)上升，且壓應(yīng)力集中程度逐漸加劇。

從Z向位移分布圖可以看出，由于開挖的卸載作用，回采區(qū)礦體、圍巖會(huì)產(chǎn)生上向或下向位移。利用崩落法和充填法回采的區(qū)域，都在開挖礦體的頂板處及上盤圍巖區(qū)域產(chǎn)生下向位移，在底板處及下盤圍巖區(qū)域產(chǎn)生上向位移。隨著開挖的進(jìn)行，最大下向位移先出現(xiàn)在充填采場(chǎng)頂板附近，由4.4 cm增大至5.7 cm。繼續(xù)開挖后，最大位移轉(zhuǎn)移至上盤圍巖區(qū)域，降至3.8 cm，且產(chǎn)生較大位移區(qū)域的面積逐漸擴(kuò)大；最大上向位移值由7 cm逐漸減小至2 cm，且三步驟開挖時(shí)變化顯著。由于充填體的力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于礦巖的力學(xué)強(qiáng)度，在受到較大應(yīng)力作用的情況下，其內(nèi)部位移變化比較顯著。

綜合來(lái)看，方案二中下中段礦體的同時(shí)回采，會(huì)對(duì)上中段礦體及圍巖中應(yīng)力分布造成一定的擾動(dòng)，但擾動(dòng)影響較小，未出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象及應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。最大壓應(yīng)力值為36 MPa，最大拉應(yīng)力值為0.49 MPa，都在礦巖極限強(qiáng)度以內(nèi)；位移整體變化不大，礦體、圍巖Z向位移基本在3 cm以內(nèi)。上中段采用崩落法回采，上盤圍巖位移較大，可能會(huì)自然崩落。下中段充填采場(chǎng)在開挖過(guò)程中頂板局部區(qū)域下沉位移最大值約5 cm，最終穩(wěn)定為2 cm。故方案二在回采過(guò)程中采場(chǎng)整體上是穩(wěn)定的，只有局部區(qū)域出現(xiàn)位移值略大現(xiàn)象。在安全性上方案二是可行的。

同理，通過(guò)對(duì)其余2種方案的分步開挖應(yīng)力及位移分布情況進(jìn)行分析，可看出方案一、方案三總體上穩(wěn)定性均較好。通過(guò)對(duì)回采順序的合理規(guī)劃，下中段礦體的同步回采對(duì)上中段采場(chǎng)的擾動(dòng)可以被控制在較小的范圍，可保證兩中段強(qiáng)采方案的安全進(jìn)行。

3.2 不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

由于此3種方案回采順序不同，在回采過(guò)程中其應(yīng)力及位移分布情況、變化趨勢(shì)又各不相同。為了便于比較3種回采方案的優(yōu)劣，將其三步驟回采應(yīng)力及位移變化情況繪制成如圖8~圖11所示的折線圖進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 各方案分步開挖最大主應(yīng)力變化

圖9 各方案分步開挖最小主應(yīng)力變化

從圖8~圖11可以看出，3種方案在分步開挖過(guò)程中礦巖最大壓應(yīng)力均在36.5MPa以內(nèi)，小于礦體平均抗壓強(qiáng)度42MPa、圍巖抗壓強(qiáng)度50~55MPa；最大拉應(yīng)力均在0.51MPa以內(nèi)，小于礦體平均抗拉強(qiáng)度2MPa、圍巖抗拉強(qiáng)度3~3.5MPa。方案二除了在二步驟開挖時(shí)正向位移稍大之外，負(fù)向位移與方案三接近，優(yōu)于方案一，應(yīng)力狀態(tài)明顯優(yōu)于其它兩方案，故從開挖過(guò)程中主應(yīng)力及位移狀態(tài)變化情況可以看出，三方案對(duì)比的優(yōu)越度為方案二＞方案三＞方 案一。

圖10 各方案分步開挖Z向最大正位移變化

圖11 各方案分步開挖Z向最大負(fù)位移變化

為了觀察在分布開挖過(guò)程中圍巖的整體穩(wěn)定性狀態(tài)，取3種方案最終開挖完畢后塑性區(qū)的分布狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12~圖14所示。

圖12 方案一最終塑性區(qū)分布

從圖12~圖14可以看出，經(jīng)過(guò)分步開挖后，三方案最終塑性區(qū)分布狀態(tài)大體上一致，開挖后塑性區(qū)均分布在采空區(qū)周圍，以剪切塑性區(qū)為主，且屈服狀態(tài)大部分發(fā)生在過(guò)去，最終只在兩礦體間圍巖及充填采場(chǎng)上部存在部分剪切塑性區(qū)。

圖13 方案二最終塑性區(qū)分布

圖14 方案三最終塑性區(qū)分布

?354 m分段由于方案一采用充填法回采，而方案二和方案三采用崩落法回采且回采順序不同，故塑性區(qū)分布有所差異：方案一沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)；方案二在開挖過(guò)程中出現(xiàn)拉伸塑性區(qū)及剪切塑性區(qū)，但最終開挖完畢后塑性區(qū)消失；方案三在開挖過(guò)程中出現(xiàn)拉伸塑性區(qū)及剪切塑性區(qū)，且最終開挖完畢后塑性區(qū)仍局部存在，故此處三方案對(duì)比的優(yōu)越度為方案一＞方案二＞方案三。

綜合上述的對(duì)比分析情況，從開采安全性方面考慮，初步判斷方案二較優(yōu)。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述對(duì)金山店?yáng)|區(qū)兩中段強(qiáng)采方案的數(shù)值模擬分析，可得出下述結(jié)論：

(1)3種兩中段強(qiáng)采方案中，隨著礦體的回采，均出現(xiàn)以下現(xiàn)象：采空區(qū)(充填區(qū))頂板發(fā)生下向位移，底板上鼓，兩側(cè)圍巖整體產(chǎn)生向內(nèi)擠壓的趨勢(shì)；頂板及拐角處應(yīng)力增大，出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)，圍巖、底板及充填體附近應(yīng)力減弱，局部出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)。數(shù)值模擬表明，下階段礦體的同步回采對(duì)上部礦巖應(yīng)力有一定擾動(dòng)，但未出現(xiàn)大范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象及應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。

(2) 綜合對(duì)比結(jié)果表明，3種兩中段強(qiáng)采方案穩(wěn)定性均較好，在安全性上是可行的。而方案二在分步開挖過(guò)程中礦巖最大壓、拉應(yīng)力值小于其它兩方案且變化平穩(wěn)，位移變化適中，穩(wěn)定性更好。故從安全的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，方案二為最優(yōu)方案。

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(2018?08?29)

田 軍(1962—)，男，遼寧建平人，高級(jí)工程師，主要從事巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)工作。