張愛民， 劉育明， 張少杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著我國淺部礦產(chǎn)資源日益減少以及采掘設(shè)備的大型化，礦產(chǎn)資源的開采逐漸向深部和大規(guī)模兩個方向發(fā)展[1-4]。針對深井超大面積開采過程中可能出現(xiàn)的巖爆、大變形等問題，通過卸壓手段主動降低大型礦柱中賦存的高應(yīng)力，是比較有效且重要的對策措施[5-8]。本文采用數(shù)值模擬方法，對某深井硬巖礦山大型條形礦柱的不同卸壓方案進(jìn)行分析對比研究，這對礦山安全高效開采具有十分重要的意義，同時可為類似開采條件下的深井礦山卸壓開采提供借鑒參考。

2 工程背景

某鐵礦屬隱伏盲礦床，礦體埋藏深度404～1 934 m，東西長1 500 m，南北平均寬度960 m，最大垂直深度1 580 m，礦體平均厚度246.84 m，傾角約70°。礦體主要呈厚層狀產(chǎn)出，總體形態(tài)似一個巨大的“金元寶”，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖石較完整。

根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件，設(shè)計主要采用大直徑深孔空場嗣后充填法開采。為了保持采礦區(qū)域的整體穩(wěn)定性和考慮采礦工程布置的需要，在盤區(qū)之間沿最大主應(yīng)力方向布置了大型條形礦柱，盤區(qū)內(nèi)布置采場，采場尺寸40 m×40 m，高度60 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)條件和開采方案，建立FLAC3D精準(zhǔn)數(shù)值模型。模型X軸沿礦柱走向，長度為4 800 m；模型Y軸垂直礦柱走向，長度為4 800 m；模型高為1 620 m(標(biāo)高從-1 620 m至0 m)，具體如圖1所示。圖2所示為數(shù)值模型的核心部分，即礦體的三維模型，尺寸為1 600 m×1 600 m×1 620 m。-960 m中段盤區(qū)與礦柱的布置，具體如圖3所示。1號礦柱寬60 m，2號礦柱寬100 m，3號礦柱寬60 m。為了準(zhǔn)確獲取礦柱中的應(yīng)力狀態(tài)，在礦柱中布置了應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)(A1、B1和C1等)。

圖1 三維數(shù)值模型

圖2 三維模型核心部分

圖3-960 m中段盤區(qū)與礦柱的布置平面圖

3.2 地應(yīng)力特征及邊界條件

根據(jù)礦山水壓致裂地應(yīng)力測量研究的數(shù)據(jù)顯示：礦區(qū)應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力與鉛直主應(yīng)力的比值均在1.61左右，最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼EE向，平均方向?yàn)?7.83°。礦區(qū)測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的綜合線性回歸方程為

σh,max=0.461 9+0.038 9h,R=0.963 2

(1)

σh,min=0.524 5+0.028 3h,R=0.955 4

(2)

式中：σh,max——最大水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似垂直，MPa；

h——垂直深度，m；

R——回歸系數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力隨深度線性變化，根據(jù)礦體埋藏深度和平均巖體容重計算，模型上部施加垂直方向應(yīng)力σz=5.6 MPa?？紤]構(gòu)造應(yīng)力的影響，沿模型X軸和Y軸的水平應(yīng)力分別根據(jù)式(1)和式(2)施加。模型側(cè)面限制水平移動，模型底部限制垂直移動。

3.3 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，考慮到巖體的尺度效應(yīng)，模擬計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)材料力學(xué)特征，分別采用不同的力學(xué)模型：充填體采用理想彈塑性本構(gòu)模型；圍巖和礦體均采用復(fù)合摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則，即

(3)

式中：fs——材料發(fā)生破壞的臨界值，MPa；

σ1、σ3——最大和最小主應(yīng)力，MPa；

c——內(nèi)聚力，MPa；

φ——摩擦角，°；

當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σt(抗拉強(qiáng)度，MPa))判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3.4 計算模擬過程

為了揭示大型條形礦柱采取不同卸壓方案后的卸壓效果，本計算分以下步驟進(jìn)行：

(1)計算模型在給定邊界應(yīng)力與位移條件下的初始狀態(tài)。

(2)先模擬開采-1 020 m中段的礦體，再模擬開采-960 m中段的礦體。

(3)在大型條形礦柱的不同位置進(jìn)行全長卸壓開采，分別為：上部卸壓(在-896～-900 m形成卸壓層)、中部卸壓(在-956～-960 m形成卸壓層)、下部卸壓(在-1 016～-1 020 m形成卸壓層)。

(4)在大型條形礦柱的上部進(jìn)行卸壓開采，卸壓開采的長度分別為60 m、120 m、180 m和礦柱全長。

4 計算結(jié)果分析

4.1 -960 m中段開采后的模擬結(jié)果

-960 m中段開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場如圖4所示。從圖4可以看出，-960 m中段開采后，2號礦柱兩側(cè)應(yīng)力值相對較低，礦柱中部的應(yīng)力為50～60 MPa，礦柱四個角部的應(yīng)力集中程度較高，約為108 MPa，礦柱中的應(yīng)力大體上呈“X”形分布。-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5可以看出，-960 m中段開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)較多單元在以前計算循環(huán)和當(dāng)前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)。-960 m中段開采后C- C剖面的最大主應(yīng)力場和等值線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，-960 m中段開采后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至2號礦柱的東西兩側(cè)，應(yīng)力值為65～70 MPa，在2號礦柱和3號礦柱交叉位置的一定范圍內(nèi)應(yīng)力值低于50 MPa，近似呈“U”形，上寬83 m，深49 m。

圖4-960 m中段開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場

圖5-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

圖6-960 m中段開采后C- C剖面的最大主應(yīng)力場

圖7-960 m中段開采后C- C剖面的應(yīng)力等值線

4.2 上部卸壓開采后的模擬結(jié)果

上部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場如圖8所示。從圖8可以看出，上部卸壓開采后，2號礦柱上半部分的應(yīng)力值有所降低，降低值最大約為6 MPa。-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖9所示。對比圖9和圖5可以看出，上部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當(dāng)前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖8 上部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場

圖9 上部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

4.3 中部卸壓開采后的模擬結(jié)果

中部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場如圖10所示。從圖10可以看出，中部卸壓開采后，2號礦柱上半部分和下半部分的應(yīng)力值均有所降低，降低值最大約為6 MPa。中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖11所示。對比圖11和圖5可以看出，中部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當(dāng)前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖10 中部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場

圖11 中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

4.4 下部卸壓開采后的模擬結(jié)果

下部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場如圖12所示。從圖12可以看出，下部卸壓開采后，2號礦柱下半部分的應(yīng)力值均有所降低，降低值最大約為8 MPa。中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖13所示。對比圖13和圖5可以看出，下部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當(dāng)前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖12 下部卸壓開采后A- A剖面的最大主應(yīng)力場

圖13 下部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

將不同開采工況時2號礦柱中監(jiān)測點(diǎn)C1在深度方向上-1 080～-840 m的單元應(yīng)力輸出，并繪制成應(yīng)力變化曲線，如圖14所示。從圖14可以看出，上部卸壓開采主要可降低-900～-960 m礦柱中的應(yīng)力，中部卸壓開采主要可降低-900～-1 020 m礦柱中的應(yīng)力，下部卸壓開采主要可降低-960～-1 020 m礦柱中的應(yīng)力。從卸壓開采的有效影響范圍大小來看，中部切頂?shù)男秹盒Ч麅?yōu)于上部切頂和下部切頂?shù)男秹盒Ч?/p>

圖14 不同開采工況時礦柱中的應(yīng)力變化曲線

4.5 不同卸壓開采長度的模擬結(jié)果

上部卸壓開采長60 m時C- C剖面的最大主應(yīng)力等值線如圖15所示。上部卸壓開采長120 m時C- C剖面的最大主應(yīng)力等值線如圖16所示。上部卸壓開采長180 m時C- C剖面的最大主應(yīng)力等值線如圖17所示。上部全長卸壓開采時C- C剖面的最大主應(yīng)力等值線如圖18所示?？梢钥闯?，在卸壓開采長度為60 m、120 m和180 m時，在卸壓開采區(qū)域的東西兩側(cè)應(yīng)力集中程度較高，應(yīng)力值約為105～108 MPa；卸壓區(qū)主要位于卸壓開采區(qū)域的底部。在-900 m水平，-960 m中段開采后的2號礦柱中的最大主應(yīng)力約為50 MPa,因此，初步將卸壓開采引起的50 MPa以下的范圍定義為卸壓區(qū)。上部卸壓開采長60 m時，卸壓區(qū)的深度為19 m，卸壓區(qū)的角度為32°；上部卸壓開采長120 m時，卸壓區(qū)的深度為63 m，卸壓區(qū)的角度為46°；上部卸壓開采長180 m時，卸壓區(qū)的深度為65 m，卸壓區(qū)的角度為36°；上部全長卸壓開采時，在2號礦柱和3號礦柱交叉位置處的卸壓區(qū)的深度為61 m，在其他位置的卸壓區(qū)深度約為44 m。

圖15 上部卸壓開采長60 m時的應(yīng)力等值線

圖16 上部卸壓開采長120 m時的應(yīng)力等值線

圖17 上部卸壓開采長180 m時的應(yīng)力等值線

圖18 上部全長卸壓開采時的應(yīng)力等值線

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某深井硬巖礦山大型條形礦柱的不同卸壓方案進(jìn)行了對比研究，得出以下結(jié)論：

(1)-960 m中段開采后，2號礦柱中的應(yīng)力大體上呈“X”形分布；應(yīng)力轉(zhuǎn)移至2號礦柱的東西兩側(cè)；2號礦柱和3號礦柱交叉位置的一定范圍內(nèi)應(yīng)力值低于50 MPa，近似呈“U”形。

(2)上部卸壓開采主要可降低-900～-960 m礦柱中的應(yīng)力，中部卸壓開采主要可降低-900～-1 020 m礦柱中的應(yīng)力，下部卸壓開采主要可降低-960～-1 020 m礦柱中的應(yīng)力。從卸壓開采的有效影響范圍大小來看，中部卸壓的卸壓效果優(yōu)于上部卸壓和下部卸壓的卸壓效果。

(3)上部卸壓開采長60 m時，卸壓區(qū)的深度為19 m，卸壓區(qū)的角度為32°；上部卸壓開采長120 m時，卸壓區(qū)的深度為63 m，卸壓區(qū)的角度為46°；上部卸壓開采長180 m時，卸壓區(qū)的深度為65 m，卸壓區(qū)的角度為36°；上部全長卸壓開采時，2號礦柱和3號礦柱交叉位置處的卸壓區(qū)的深度為61 m，在其他位置的卸壓區(qū)深度約為44 m。