向 鵬 楊景華 趙繼忠 馬 旺

（1、北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083 2、城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083 3、首鋼灤南馬城礦業(yè)有限公司，河北 唐山063501）

1 概述

隨著淺部資源枯竭,鐵礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移,深部礦體在高應(yīng)力的情況下開采,采場(chǎng)面臨著高地壓問題,尤其是采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采,在空?qǐng)龃竺娣e暴露條件下,采空區(qū)上覆壓力向礦柱及圍巖轉(zhuǎn)移,形成應(yīng)力集中,其采場(chǎng)穩(wěn)定性是深部開采需要解決的重要課題。合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序?qū)Σ蓤?chǎng)的穩(wěn)定性和礦石回收率起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序,已有學(xué)者開展了相關(guān)研究[1-8]。馬城鐵礦礦體埋深超過1100m,賦存地質(zhì)條件復(fù)雜,且主要采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_采,因此深部采場(chǎng)面臨的礦壓安全問題突出,急需對(duì)其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序進(jìn)行優(yōu)化研究,防止大面積地壓活動(dòng)出現(xiàn),保證礦山安全生產(chǎn)。

2 礦山概況

2.1 礦體特征

馬城鐵礦礦脈延升整體呈北北西向,層狀產(chǎn)出,北西或南西傾向,傾角范圍39-56°,總體走向長6km。礦體呈層狀、似層狀、大透鏡體狀產(chǎn)出,全區(qū)劃分的15 個(gè)礦體中,規(guī)模最大的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體,走向長:Ⅰ號(hào)1750m、Ⅱ號(hào)1210m、Ⅴ號(hào)2100m,平均厚度:Ⅰ號(hào)36.35m、Ⅱ號(hào)127.56m、Ⅴ號(hào)83.90m。

2.2 工程地質(zhì)概況

馬城礦體頂?shù)装鍑鷰r為黑云變粒巖、角閃變粒巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、含石榴石黑云石英巖、含石榴石閃石巖、綠泥片巖、絹云石英片巖。由于區(qū)域混合巖化作用大多已形成混合巖、黑云(角閃)混合片麻巖、黑云(角閃)混合花崗巖類巖石,原巖大多呈殘留體出現(xiàn)。圍巖與礦體界線大體清楚,少部分呈漸變過渡。

2.3 采礦方法

初步設(shè)計(jì)確定開采范圍為-240m～-900m, 并劃分為2 個(gè)采區(qū), 其中-240m～-540m 為上部采區(qū),-540m～-900m 為下部采區(qū),上、下采區(qū)同時(shí)開采,采礦階段高度設(shè)計(jì)為60m。

開采順序: 兩階段上向同時(shí)開采, 即上部采區(qū)首采-540m～-480m 階段, 同時(shí)下部采區(qū)首采-900m～-840m 階段,順序均為自下而上進(jìn)行開采。

采礦方法:階段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?、分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê蜕舷?點(diǎn)柱式)分層充填法,全尾砂充填。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)與開采順序優(yōu)化

3.1 數(shù)值模擬方案

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序?qū)Σ蓤?chǎng)穩(wěn)定性有重要影響, 選取合適的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序是采場(chǎng)穩(wěn)定和高效安全開采的關(guān)鍵。馬城鐵礦III 號(hào)礦體-900m 中段選用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,礦塊垂直礦體走向布置,礦塊階段高度60m,一步采和二步采礦塊尺寸不變,礦塊長度43m,影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素為礦塊寬度。根據(jù)類似礦井開采經(jīng)驗(yàn),礦塊回采順序多為“隔一采一”和“隔二采一”,結(jié)合Mathews 穩(wěn)定圖法分析結(jié)果礦塊寬度分別取15m、18m、21m、24m,按著不同的礦塊寬度和開采順序,組合成8 種方案分析,見表1。階段嗣后充填開采時(shí),充填材料被注入礦房后,凝結(jié)成有一定強(qiáng)度的充填體需一段時(shí)間,其早期強(qiáng)度一般不高,此時(shí)采場(chǎng)頂板主要由礦柱支撐。因此通過分析不同寬度礦房分別采用“隔一采一”和“隔二采一”采完后不充填所引起圍巖及礦柱的應(yīng)力和位移變化, 系統(tǒng)評(píng)價(jià)礦房開采對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響,

表1 開采組合方案

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

采用FLAC3D 數(shù)值分析軟件, 數(shù)值模型以X 軸為水平方向,Y 軸為礦體的走向,Z 軸為礦體的標(biāo)高,以X、Y、Z 三軸邊界均大于采場(chǎng)3～5 倍為原則,模型網(wǎng)格、礦塊劃分如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型及礦體劃分

計(jì)算采用理想彈塑性模型, 巖體破壞準(zhǔn)則為莫爾- 庫侖屈服準(zhǔn)則。模型邊界條件為上表面自由邊界,底部固定水平和垂直位移,兩側(cè)固定水平位移。模型的初始應(yīng)力場(chǎng)按q=∑λgh 計(jì)算,水平應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)k 計(jì)算,側(cè)壓系數(shù)k 的計(jì)算公式如下:

式中,μ—泊松比。

3.3 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該鐵礦的工程地質(zhì)特征,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合選取了巖體物理力學(xué)參數(shù),如表2 所示:

表2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)表

3.4 模擬結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如表3 所示,當(dāng)?shù)V房“隔一采一”開采時(shí),隨著采場(chǎng)跨度增加,礦柱中最大應(yīng)力不斷增大,頂?shù)装逦灰埔仓饾u增大,頂?shù)装逯凶畲罄瓚?yīng)力先增加后保持不變, 且最大拉應(yīng)力分布范圍隨著跨度增大不斷增加, 說明頂?shù)装謇炱茐姆秶S著跨度增加不斷變大。當(dāng)?shù)V房隔二采一開采時(shí),最大應(yīng)力和礦房頂板最大豎直位移都是隨著礦房寬度的增加而增大, 頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力先增大達(dá)到巖體抗拉極限后保持不變。相比“隔一采一”,采用“隔二采一”相當(dāng)于增加了礦柱的寬度,礦柱寬高比隨之增大,礦柱內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象減小, 穩(wěn)定性增強(qiáng)。綜上分析可知,15m 和18m 的礦柱寬度要優(yōu)于21m、24m,但15m 礦房寬度尺寸小,對(duì)采場(chǎng)后期的穩(wěn)定不利且影響開采效率, 因此采場(chǎng)合理的礦房寬度選為18m,圍巖質(zhì)量較差區(qū)域可優(yōu)先采用“隔二采一”方式開采；當(dāng)圍巖質(zhì)量較好時(shí),可采用“隔一采一”順序開采。

表3 不同方案產(chǎn)生的擾動(dòng)值

4 深部開采采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述優(yōu)化分析結(jié)果, 對(duì)深部采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析,采場(chǎng)結(jié)構(gòu)采幅寬度為18.0m,長約43m,采用“隔一采一”的回采順序。模擬結(jié)果如下:

由圖2 可知一步驟礦房開采后,壓應(yīng)力在礦柱的兩個(gè)外側(cè)壁集中分布,尤其在4 個(gè)角隅處,壓應(yīng)力達(dá)到45.1MPa,礦柱頂部、底部壓應(yīng)力大,中部相對(duì)較??；一步驟礦房膠結(jié)體充填后,礦柱所受最大壓應(yīng)力明顯降低。二步驟礦柱開采后,采場(chǎng)壓應(yīng)力向兩側(cè)圍巖和充填柱轉(zhuǎn)移,采場(chǎng)右上角和左下角圍巖應(yīng)力集中增大,最大壓應(yīng)力達(dá)到52.5MPa；二步驟礦柱尾砂充填后,采場(chǎng)最大主應(yīng)力變?yōu)?2.9MPa,變化不大。

圖3 顯示一步驟礦房開采后,在頂?shù)装灞韺赢a(chǎn)生了一定的剪切和拉伸破壞,礦房充填后,頂?shù)装迤茐挠兴鶞p小,礦柱基本不發(fā)生破壞；礦柱開采后,頂?shù)装迤茐姆秶M(jìn)一步擴(kuò)大,以淺表拉破壞為主,主要是由于失去礦柱的支撐,頂?shù)装宕竺娣e懸空,在中部產(chǎn)生拉應(yīng)力引起。礦柱充填完畢后,破壞范圍有所減小。綜上分析,在深部礦體開采時(shí),采場(chǎng)頂板以局部拉伸破壞為主,整體穩(wěn)定。

圖2 最大主應(yīng)力演化

圖3 塑性區(qū)演化

5 結(jié)論

通過對(duì)馬城鐵礦深部開采采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序模擬分析,得到以下結(jié)論:

5.1 隨著采場(chǎng)跨度增大,礦柱最大應(yīng)力和頂?shù)装逦灰埔仓饾u增大,頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力先增加后保持不變,明頂?shù)装謇炱茐姆秶S著跨度增加不斷變大。

5.2 考慮開采效率綜合選取采場(chǎng)的礦房寬度為18m,圍巖質(zhì)量較弱區(qū)域可優(yōu)先采用“隔二采一”方式開采；當(dāng)圍巖質(zhì)量較好時(shí),可采用“隔一采一”順序開采。