王永高,王建貴,楊八九
(1.云南錫業(yè)股份有限公司, 云南 個舊市 661000;2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司, 云南 昆明 650093)
礦產(chǎn)資源能否安全高效回采是礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在回采過程中會受到礦山開采的技術(shù)條件、礦體賦存條件、回采工藝等諸多因素的影響[1-2]。在開采過程中,不同賦存條件下礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序都是不一樣的。因此在礦體開采之前,有必要對這一系列問題進(jìn)行分析研究。本文采用數(shù)值模擬方法,研究不同賦存條件下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、礦柱合理尺寸及合理的回采順序?qū)Σ蓤鰢鷰r應(yīng)力變化的影響[3]。
筆架山鐵礦是祿勸云川礦產(chǎn)開發(fā)有限公司下屬礦山,位于金沙江畔,江面標(biāo)高為950 m。目前主要采用露天開采方式對1號礦體950 m以上進(jìn)行開采,后期將采用地下開采方式對2,3,8號礦體及1號礦體950 m以下部分進(jìn)行開采。整體開采順序從上至下。8號礦體賦存標(biāo)高最低為650 m,位于金沙江江面之下300 m。
筆架山鐵礦背斜北翼的2,3,8號礦體走向為N52°~79°E,傾向SE,傾角80°。南翼的1號礦體走向為 N70°W,傾向 NE,傾角 79°,主要采用分段鑿巖階段垂直走向出礦空場法開采。采場沿礦體走向連續(xù)布置,長度為 42 m,寬度為礦體水平厚度,高度為階段高度50 m。上下采場之間由頂?shù)字喔?,底柱? m,頂柱高4 m,相鄰采場之間由間柱相隔,間柱的水平厚度為6 m,一系列采礦作業(yè)均在頂?shù)字烷g柱所劃定的礦房內(nèi)進(jìn)行。重點研究開采過程中采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及開采過程對山體及金沙江的影響,研究區(qū)域為 1,2,3,8號礦體所在的區(qū)域。
在現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上,采用普氏、RMR、Q系統(tǒng)3種巖體質(zhì)量分級方法,對筆架山鐵礦各礦巖體質(zhì)量進(jìn)行了分級,認(rèn)為筆架山鐵礦礦體和圍巖均屬于堅固~極堅固類型巖體。
有限元數(shù)值模擬所采用的礦巖體宏觀巖體力學(xué)參數(shù),是通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗得到各巖塊力學(xué)參數(shù),采用 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則折減而確定[4],計算采用的各巖性宏觀巖體力學(xué)參數(shù)見表1。
根據(jù)彈塑性力學(xué)理論可知,在承受均勻載荷的無限大彈性體中開挖圓孔后,孔邊的應(yīng)力狀況將發(fā)生顯著變化:在3倍孔徑的區(qū)域處,應(yīng)力比開孔前的應(yīng)力增大11%;在5倍孔徑的區(qū)域處,應(yīng)力的相對差值已小于 5%,這樣的應(yīng)力變化在工程上可以忽略不計。因此,在有限元的計算中可以把 3~5倍孔徑的區(qū)域作為計算域。根據(jù)筆架山鐵礦礦體的實際賦存條件及周邊金沙江所處位置,建立三維有限元模型。模型長×寬×高為750 m×1000 m×550 m,即沿礦體走向取750 m(模型中Z方向),垂直礦體走向取1000 m(X方向),沿垂直方向取550 m(Y方向)。礦體模型見圖1。
表1 礦巖體宏觀巖體力學(xué)參數(shù)
圖1 筆架山鐵礦1,2,3,8號礦體位置
筆架山鐵礦前期未進(jìn)行過原巖應(yīng)力實測。結(jié)合國內(nèi)外工程實測經(jīng)驗,由于筆架山鐵礦礦體出露地表,埋深較淺,在淺部一般水平應(yīng)力較小[5]。本次計算中,以垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力(λ=0.37)為基本計算方案。
在巖體破壞模型分析中,采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準(zhǔn)則。力學(xué)模型為:
或
式中,σ1,σ3分別是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;c,φ為巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;F為破壞判定系數(shù)。當(dāng)F≥0時,巖體將發(fā)生剪切破壞。另外,巖體在拉應(yīng)力作用下,采用抗拉強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則。其力學(xué)模型為:
式中,σt為巖體所受拉應(yīng)力;Rt為巖體抗拉強(qiáng)度。
如果拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度(F≥0),巖體將發(fā)生抗拉破壞。
在分析過程中,首先對構(gòu)建的模擬施加自重力及構(gòu)造應(yīng)力,初始應(yīng)力平衡后,第2步對950 m以上的江面以上礦體進(jìn)行回采;第3步回采950 m~895 m中段礦體;第4步回采895 m~845 m中段礦體;第5步回采845 m~795 m中段礦體;第6步回采795 m~745 m中段礦體;第7步回采745 m以下礦體。
由于受計算量及模型自身的影響,在考慮頂?shù)字暮侠沓叽鐣r沒有同時考慮間柱尺寸,間柱尺寸按設(shè)計的6 m進(jìn)行模擬,本次頂?shù)字叽绻材M以下3種方案:
方案一:間柱尺寸6 m,頂柱尺寸4 m;
方案二:間柱尺寸6 m,頂柱尺寸6 m;
方案三:間柱尺寸6 m,頂柱尺寸10 m。
由于江面以上的采空區(qū)比較復(fù)雜,本次模擬按最壞情況考慮,即將950 m(江面以上)礦體一次開挖,不留礦柱,模擬結(jié)果見圖2~圖5。從圖2~圖5可以看出,礦體開采至950水平后,礦巖體受采動影響,在開挖體周圍引起新的應(yīng)力、位移重新分布,但應(yīng)力均為壓應(yīng)力(見圖2),位移值較小,最大僅為17 mm,山體及金沙江位置整體安全率大于 2.3,而安全率是指由摩爾——庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則所決定的極限應(yīng)力狀態(tài)與實際應(yīng)力狀態(tài)的比值。安全率為1時處于臨界狀態(tài),安全率越大,安全性越好。開挖后也僅在老馬田1號礦體及2,3,8號礦體周邊出現(xiàn)較少的塑性區(qū)(圖5中紅色區(qū)域),說明950 m中段以上的礦體開采后對山體及金沙江影響較小,開采后整體偏于安全,這與現(xiàn)場情況比較吻合,也為后期開采提供了依據(jù)。
圖2 礦體回采至950中段主應(yīng)力分布
圖3 礦體回采至950中段垂直位移分布
圖4 礦體回采至950中段安全率分布
該3種模擬方案是在前述第2步模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行,在進(jìn)行不同中段采場開挖時,均考慮間柱和頂?shù)字踩S捎谌S有限元給出了大量模擬結(jié)果信息,圖幅和數(shù)據(jù)很多,而方案一至方案三開挖順序和采場大小都一致,不同之處只是頂?shù)字叽绮煌?。所以本文僅給出開采末期的相關(guān)圖幅和數(shù)據(jù)。
圖5 礦體回采至950中段山體整體塑性區(qū)
3.2.1 應(yīng)力、位移分布
3種頂?shù)字叽缒M結(jié)果見圖6,從圖6可以看出,急傾斜礦體回采結(jié)束后,應(yīng)力呈條帶狀分布,且回采過程中留有連續(xù)間柱和頂柱,暴露面積有限,所以3種方案回采結(jié)束后的礦體頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域較小,最大也僅為0.651 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于折減后礦體身的抗拉強(qiáng)度值1.62 MPa,巖體不會發(fā)生抗拉破壞;壓應(yīng)力最大為13.478 MPa,與回采至950中段時的11.88 MPa有所增大,但幅度較??;3種方案回采結(jié)束后位移最大僅為12 mm(見圖7),因此,3個方案均滿足應(yīng)力、位移要求。
3.2.2 安全率、塑性區(qū)分布
頂板、間柱及圍巖等是否破壞,除了與應(yīng)力、位移有關(guān)外,還與安全率相關(guān)。安全率變化規(guī)律如圖8所示。從圖8中可以看出,頂柱尺寸為4 m,6 m,10 m時的安全率分別為1.018,1.118和1.328,由此可見,方案一頂柱為4 m時,安全率為1.018,處于臨界狀態(tài),方案二、方案三安全率均大于1.15,滿足地下礦山安全率大于1.15的經(jīng)驗值。塑性區(qū)的分布情況見圖9。從圖9可以看出,頂柱為4 m時,幾乎整個頂柱都處于塑性狀態(tài)(圖9中紅色區(qū)域),而頂柱為6 m,10 m時,塑性區(qū)域明顯減少,僅在頂板局部區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū),安全性相對較好。所以建議在開采過程中頂柱尺寸不小于6 m,另外,塑性區(qū)的分布有一個明顯的特征,礦體回采結(jié)束后,795 m下部塑性區(qū)明顯大于上部,這與深部地壓較大有直接的關(guān)系,所以綜合分析認(rèn)為整體頂柱尺寸不小于6 m,開采至795 m時應(yīng)適當(dāng)將頂柱尺寸增加到8 m。
圖6 回采結(jié)束間柱、頂柱最大主應(yīng)力分布
圖7 回采結(jié)束間柱、頂柱垂直位移分布
圖8 回采結(jié)束間柱、頂柱安全率分布
圖9 回采結(jié)束間柱、頂柱塑性區(qū)分布
(1)采用三維有限元對筆架山鐵礦進(jìn)行模擬,通過分析認(rèn)為950 m中段以上的礦體開采后沒有拉應(yīng)力出現(xiàn),且整體安全率大于2.3,對山體及金沙江沒有影響,這與礦山現(xiàn)狀及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也比較吻合,為后期開采提供了依據(jù)。
(2)通過對3種不同頂柱尺寸的回采方案模擬,結(jié)合對應(yīng)力、塑性區(qū)、位移及安全率的綜合分析,認(rèn)為在開采過程中頂?shù)字恼w尺寸應(yīng)不小于6 m,開采至795 m時可適當(dāng)將頂柱尺寸增加到8 m。