張圓堂,朱建軍,王曉軍,李 剛,黃 丹

(1.江西理工大學(xué),江西 贛州 341000;2.山西華興鋁業(yè)有限公司,山西 呂梁 033000;3.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司,江西 贛州 341000;4.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160)

隨著國內(nèi)位于淺地表的鋁土礦儲量消耗殆盡,地下鋁土礦特別是煤下鋁開采成為鋁資源開發(fā)的必然選擇和發(fā)展趨勢[1-2]。煤系地層下鋁土礦資源儲量極大[3],但其開采復(fù)雜性突出,需要解決克服地下鋁土礦開采的諸多問題[4],同時增大了鋁土礦地下開采的難度和危險性,而且需要考慮煤礦與鋁土礦協(xié)同開采,最大程度地開發(fā)不可再生的自然資源。

國內(nèi)外煤系地層覆蓋下鋁土礦資源鮮有開發(fā)案例,由于其特殊的資源賦存條件、安全生產(chǎn)技術(shù)問題及政策等限制,煤下鋁土礦資源直到近年才得到認(rèn)識和重視,煤系地層覆蓋下的鋁土礦資源一直沒有得到有效利用,其開采技術(shù)研究尚數(shù)空白,煤下鋁的開發(fā)缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃,實現(xiàn)我國煤及煤下鋁資源統(tǒng)籌兼顧、綜合利用,迫切需要研究、探索新的采礦方法和工藝。

1 工程概況

某鋁土礦位于山西省呂梁境內(nèi),礦體形態(tài)呈層狀、似層狀,分布較連續(xù)。礦體厚度0.80～7.49 m,平均2.89 m,東厚西薄,中、南部厚北部薄,向西傾斜,傾角10～18°,一般15°左右。開拓工程采用脈內(nèi)布置,開拓運輸方案選用主平硐+斜坡道+卡車運輸,基建和生產(chǎn)工作并行,采礦方法采用留礦護(hù)頂房柱法。一期設(shè)計開采標(biāo)高1120～1060 m,不受煤層影響。二期開采1060 m以下煤層壓覆鋁土礦。隨著一期開采的結(jié)束,礦山即將開啟二期開采即煤下鋁的開采,然而原有的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)已不再適用于煤下鋁的開采方式,需對二期采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,保障煤、鋁資源的有效回收。

針對某鋁土礦原有采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不再適用于煤下鋁開采的問題,本文采用FLAC3D軟件分別對不留護(hù)頂?shù)V層和護(hù)頂?shù)V層厚度分別為0.5 m、0.4 m、0.3 m的情況進(jìn)行模擬優(yōu)化,并結(jié)合礦山工程地質(zhì)情況,給出最合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 數(shù)值模擬分析

運用三維有限差分計算軟件-FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計算。本次研究的地質(zhì)工程對象以巖漿巖與變質(zhì)巖為主,屬于彈塑性材料。因此,計算采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則:

式中:σ1、σ3——最大和最小主應(yīng)力;

c,φ——材料粘結(jié)力和摩擦角。

當(dāng)fs≥0時,材料將發(fā)生剪切破壞。材料在達(dá)到屈服極限后,在恒定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形。在拉應(yīng)力狀態(tài)下,如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度,材料將發(fā)生破壞。

3 模型建立

計算模型尺寸150 m×154 m×50 m(X×Y×Z),由260,000個六面體網(wǎng)格,275,730個節(jié)點組成。采場開挖區(qū)域尺寸41 m×51 m(傾向×走向水平長度)。模型由上往下各分層分別為間接頂板-直接頂板-鋁土礦層-直接底板-間接底板。

4 力學(xué)參數(shù)與邊界條件

4.1 力學(xué)參數(shù)

計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。其中間接頂板參考勘探報告巖石力學(xué)試驗結(jié)果和巖體完整性描述,在無法進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查的情況下,綜合考慮間接頂板各巖組的強(qiáng)度,暫時將間接頂板按Ⅳ級巖體選取力學(xué)參數(shù);直接頂板、鋁土礦層、直接底板參數(shù)為前述巖石力學(xué)研究結(jié)果;間接底板參考勘探報告力學(xué)試驗結(jié)果,進(jìn)行一定工程折減處理;膠結(jié)充填體和崩落巖體參數(shù)類比選取。

圖1 模型網(wǎng)格劃分、開采區(qū)域示意圖

圖2 開采區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)水平投影示意圖

表1 計算采用的力學(xué)參數(shù)表

4.2 邊界條件

(1)應(yīng)力邊界條件

本次計算模型受力主要是巖體自重,不隨單元方向變化而改變,始終保持它們的最初方向。簡化地表為水平,模型頂面距離地表約200 m,因此頂面施加上覆巖層自重應(yīng)力邊界,上覆巖層自重應(yīng)力按4.25 MPa考慮,根據(jù)我國地層淺部最大主應(yīng)力一般為水平構(gòu)造應(yīng)力的普遍情況,初始水平應(yīng)力按垂直應(yīng)力的1.2倍考慮。

(2)位移邊界條件

根據(jù)研究的需要,模型尺寸遠(yuǎn)大于礦體尺寸,可以認(rèn)為在遠(yuǎn)離礦體的模型邊界基本處于原巖應(yīng)力或影響較小可忽略不計。因此,不妨將遠(yuǎn)處邊界固定,僅關(guān)注模型內(nèi)部的位移變形。即:在x=0和x=150面固定其x方向位移為0;在y=0和y=154面固定其y方向位移為0;在模型的底部z=0處固定其x、y、z方向的位移均為0;模型由于僅受自重應(yīng)力作用,表面不約束其位移,可自由變形。

5 計算步驟

(1)初始平衡計算

初始地質(zhì)模型形成合理與否很大程度上取決于模型設(shè)計的合理程度,計算模型最終形成的應(yīng)該是近應(yīng)力平衡系統(tǒng)。模型形成過程中,FLAC3D計算軟件內(nèi)部嵌入自動檢測模型最大不平衡力功能,即每迭代計算一步會有一個變量顯示模型內(nèi)部各節(jié)點一個最大不平衡力值,該值的大小能反映出模型的平衡狀態(tài),該值隨模型迭代收斂逐漸減小,最后趨于零,本次計算初始應(yīng)力模型形成過程中,最大不平衡力變化過程如圖3所示,可以看出模型中最大不平衡力最后區(qū)域恒定值零,表示模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),滿足計算要求。模型初始垂直、水平應(yīng)力云圖見圖4。

圖3 最大不平衡力歷程曲線

圖4 模型初始垂直、水平應(yīng)力云圖

(2)模擬回采計算

按采礦方法提供的開采順序并對回采過程進(jìn)行了一定簡化,總體上模擬回采順序見圖5。第一步:切割上山開挖;第二步:中部上山充填;第三步:礦體分條分步退采;第四步:崩落空區(qū)頂板,每步均計算平衡。

圖5 回采過程模擬計算順序示意圖

6 計算結(jié)果分析

考慮護(hù)頂?shù)V層厚度對回采安全以及回采率影響較大,本次采場結(jié)構(gòu)參數(shù)重點研究護(hù)頂?shù)V層厚度。研究步驟是首先計算不留護(hù)頂?shù)V層,若安全性能得到保障,則可不留護(hù)頂?shù)V層。若安全性得不到保障,則在采礦工藝設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上對護(hù)頂?shù)V層厚度遞減研究。

6.1 不留護(hù)頂?shù)V層時計算結(jié)果分析

不留護(hù)頂?shù)V層時,切割上山開挖后的計算結(jié)果見圖6。從圖中可以看出,切割上山開挖后,上山巷道頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力釋放,集中于未開采礦柱區(qū)域及圍巖,整個采場區(qū)域上部巖體形成低應(yīng)力拱區(qū)(即開挖對上部巖體產(chǎn)生卸荷作用),拱區(qū)內(nèi)最大、最小主應(yīng)力值下降約1.0～2.0 MPa。切割上山頂板產(chǎn)生向下位移,最大約6.5 cm,并且采場區(qū)域上部巖體整體產(chǎn)生向下約1.0～2.0 cm位移。從塑性區(qū)分布情況來看,切割上山頂板及礦柱巖體幾乎全部處于剪切破壞狀態(tài)。說明不留護(hù)頂?shù)V層的情況下,切割上山巷道回采過程會造成上部頂板和巷道間礦柱發(fā)生較嚴(yán)重破壞,影響切割上山和下步回采的安全,因此,有必要預(yù)留護(hù)頂?shù)V層。

圖6 不留護(hù)頂?shù)V層時切割上山開挖后模型計算結(jié)果圖(X=75剖面)

6.2 護(hù)頂?shù)V層厚度優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)采礦工藝設(shè)計,護(hù)頂?shù)V層厚度h=0.5 m。本次護(hù)頂?shù)V層厚度優(yōu)化試圖尋求更薄的護(hù)頂?shù)V層厚度,以在保障安全的前提下增加回采率,分別計算護(hù)頂?shù)V層厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三種情況。護(hù)頂?shù)V層為0.5 m時切割上山開挖后計算結(jié)果見圖7。

圖7 切割上山開挖后計算結(jié)果圖(護(hù)頂?shù)V層0.5 m,X=75剖面)

由模擬結(jié)果可知,切割上山的開挖會導(dǎo)致巷道頂?shù)装鍛?yīng)力釋放,礦柱內(nèi)部應(yīng)力集中,與不留護(hù)頂?shù)V層相比,由于護(hù)頂?shù)V層的保護(hù),頂板應(yīng)力釋放程度比不留護(hù)頂?shù)V層小。對于三種不同護(hù)頂厚度而言,應(yīng)力釋放和集中程度在數(shù)值上差別并不大,但是應(yīng)力釋放的范圍有所不同,這點在最小主應(yīng)力云圖中表現(xiàn)比較明顯。0.5 m時影響范圍最小,0.3 m時最大,0.4 m時居中。

從護(hù)頂?shù)V層豎向位移來分析,切割上山開挖引起四周巖體向上山巷道內(nèi)部發(fā)生位移,其中對安全影響較大的是頂板向下的豎向位移,三種情況分別是3.92 cm(h=0.5 m)<4.59 cm(h=0.4 m)<5.46 cm(h=0.3 m)。若以2.0 cm等值線為分界,可以得出,h=0.5 m時頂板位移等值線雖有相互擴(kuò)展貫通趨勢,但兩側(cè)上山位置仍相對獨立;而h=0.4 m時,上山頂板位移等值線相互擴(kuò)展貫通并向上部延深;h=0.3 m時,上山頂板位移等值線相互貫通,向上部延深范圍更大。

從塑性區(qū)分布情況來分析,相同的規(guī)律是先開挖的上山兩側(cè)礦柱塑性區(qū)分布多,后開挖上山兩側(cè)礦柱塑性區(qū)分布少。當(dāng)h=0.5 m時,所示剖面上山頂板未出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū);h=0.4 m時,剖面上山頂板局部出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū);h=0.3 m時,礦柱及頂板塑性區(qū)更多。

為詳細(xì)分析開采過程護(hù)頂?shù)V層的塑性區(qū)分布情況,單獨將開采區(qū)域護(hù)頂?shù)V層塑性區(qū)分布情況進(jìn)行分析對比,塑性區(qū)單元個數(shù)統(tǒng)計對比如圖8。從圖中可以看出,隨著護(hù)頂?shù)V層厚度的減小,塑性區(qū)數(shù)量逐漸增加。

圖8 采場區(qū)域護(hù)頂?shù)V層塑性區(qū)單元個數(shù)

按照順序開挖各條帶時,由模擬結(jié)果可知,所開挖條帶護(hù)頂?shù)V層塑性區(qū)單元數(shù)量隨護(hù)頂?shù)V層厚度減小亦逐漸增加。

通過塑性區(qū)分布情況可知,在當(dāng)前計算參數(shù)條件下,護(hù)頂厚度0.5 m時塑性區(qū)單元個數(shù)最少,0.3 m時最多,0.4 m時居中。需要注意的是,0.5 m的護(hù)頂厚度,雖然能夠有效控制頂板,避免大面積破壞,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破壞,并且在退采階段塑性區(qū)范圍比較大。因此,建議護(hù)頂?shù)V層厚度不得小于0.5 m的同時,回采時還應(yīng)加強(qiáng)局部支護(hù)。

7 結(jié) 論

(1)不留護(hù)頂?shù)V層的情況下,切割上山巷道回采過程會造成上部頂板和巷道間礦柱發(fā)生較嚴(yán)重破壞,影響切割上山和下步回采的安全,因此,有必要預(yù)留護(hù)頂?shù)V層。

(2)通過對護(hù)頂?shù)V層厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三種情況的對比分析,應(yīng)力釋放、集中程度和范圍,頂板豎向位移,塑性區(qū)數(shù)量均為0.3 m時最大,0.5 m時最小,0.4 m時居中。0.5 m的護(hù)頂厚度,雖然能夠有效控制頂板,避免大面積破壞,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破壞,并且在退采階段塑性區(qū)范圍比較大。

(3)建議護(hù)頂?shù)V層厚度不得小于0.5 m的同時,回采時還應(yīng)加強(qiáng)局部支護(hù)。