董亞寧 王忠強(qiáng) 肖松麗

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǎ?］具有高效、安全、低成本等優(yōu)勢(shì)，成為馬鋼羅河鐵礦主要采礦方法之一。隨著礦山開采深度不斷增加，地壓危害逐漸凸顯。由于巖體的非均質(zhì)、各向異性，地下工程對(duì)巖體擾動(dòng)產(chǎn)生不同程度的影響［2］。巖體應(yīng)力集中區(qū)域易垮塌，在巖體裂隙較發(fā)育和側(cè)幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著。

因此，優(yōu)化開采方案，提高生產(chǎn)效率勢(shì)在必行。預(yù)先通過計(jì)算機(jī)模擬探討優(yōu)化方案的可行性具有理論參考意義。通過計(jì)算機(jī)模擬可以初步了解開采過程對(duì)采空區(qū)頂板及其圍巖地壓時(shí)空演變、應(yīng)力分布規(guī)律及塑性破壞區(qū)分布的大體位置、范圍與程度等的影響，對(duì)優(yōu)化方案的可行性進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況，基于拉格朗日差分法，采用FLAC3D軟件對(duì)礦山開采過程和地壓顯現(xiàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 礦山不良工況

馬鋼羅河鐵礦屬一類大型鐵礦、硫鐵礦與硬石膏共生的礦床，已探明的鐵礦石儲(chǔ)量達(dá)5億t。隨著開采深度的不斷增加，地壓危害將逐步突顯，尤其對(duì)于巖體裂隙較發(fā)育和側(cè)幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著。羅河鐵礦垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畹V房尺寸為90 m×85 m（長(zhǎng)×高），一步采形成空?qǐng)龊?，因巖體存在的既有裂隙及爆破振動(dòng)對(duì)裂隙的進(jìn)一步弱化作用［3-4］，大面積暴露的礦房側(cè)幫極易產(chǎn)生巖體片幫現(xiàn)象（圖1），對(duì)礦柱穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二步采鑿巖硐室預(yù)留條柱大面積破壞現(xiàn)象，利用數(shù)值模擬軟件分析回采條柱過程中圍巖變形和應(yīng)力分布變化，以確定條柱去除的可行性。

2 數(shù)值模型及計(jì)算準(zhǔn)則

2.1 模型建立

考慮到模型的復(fù)雜性與計(jì)算結(jié)果的精確度，根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化的同時(shí)，采用加密單元法對(duì)斷層、礦柱、礦房及周邊巖體進(jìn)行了單元加密處理，以盡可能提高計(jì)算精度?？紤]邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取如圖2所示375 m×200 m×240 m（長(zhǎng)×寬×高）的長(zhǎng)方體輪廓。

2.2 模擬方案

根據(jù)礦體賦存情況和開采初步設(shè)計(jì)方案，20聯(lián)巷以北高階段采場(chǎng)布置形式為垂直礦體走向，設(shè)計(jì)礦房采高為85 m、礦房寬為45 m，分段高度依次為25，21，24，20 m。硐室采高為4.15 m，硐室寬5 m，條柱采高為4.15 m，條柱寬5 m。以上采準(zhǔn)工程長(zhǎng)度均為礦體的水平厚度。

模擬開采順序一步回采礦房，二步回采礦柱，形成13個(gè)模擬工況。數(shù)值模擬運(yùn)算過程具體見表1。

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2.3 基本假設(shè)

（1）假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各向同性體。

（2）模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束，且上邊界考慮頂面50 m厚覆巖體自重力作用。

2.4 破壞準(zhǔn)則

根據(jù)礦區(qū)巖石性質(zhì)及其組成，本次模擬計(jì)算中選用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則［5］來進(jìn)行模擬。

式中，σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；C為黏聚力，MPa；?為內(nèi)摩擦角，（°）。

2.5 巖石力學(xué)參數(shù)

本研究涉及到的礦巖力學(xué)參數(shù)需利用Hoek-Brown公式［6］折算，結(jié)果如表2所示。

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3 二步礦柱開采擾動(dòng)效應(yīng)分析

根據(jù)模擬運(yùn)算結(jié)果，分析去除條柱支撐后二步驟采場(chǎng)頂板、底板的地壓顯現(xiàn)規(guī)律，并通過條柱去除不同程度對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，確定條柱去除的可行性，從而提出條柱安全合理的處理方案。因模擬結(jié)果眾多，選取具有代表性的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征

總體上，礦體拉應(yīng)力主要分布于采空區(qū)頂板和底板，在采空區(qū)頂板和底板處拉應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象（圖3），最大拉應(yīng)力位于采空區(qū)頂板處，壓應(yīng)力主要集中于采空區(qū)兩幫處。沿著Y軸方向62～137 m的巖體最大拉應(yīng)力從1.1 MPa降低至0.57 MPa，又升高至1.2 MPa，而最大壓應(yīng)力值從2.18 MPa升高至2.35 MPa，又降低至2.19 MPa，拉應(yīng)力于采場(chǎng)頂板和底板處形成應(yīng)力等值拱，越遠(yuǎn)離兩幫應(yīng)力值越小，最大拉應(yīng)力集中于采場(chǎng)頂板處，存在冒落風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，選取y=62 m剖面不同工況主應(yīng)力分布云圖見圖4。隨著開采工況的進(jìn)行，巖體的最大主應(yīng)力值均有著一定的降低，拉應(yīng)力從1.15 MPa降低至1.14 MPa，壓應(yīng)力基本保持在2.18 MPa不變。同時(shí)，可以看出礦體受到的拉應(yīng)力主要集中在頂板中央與底板位置，兩幫變化不大。頂板復(fù)雜的應(yīng)力集中現(xiàn)象容易導(dǎo)致頂板局部冒落現(xiàn)象，因此在開采過程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)頂板的監(jiān)測(cè)與防護(hù)。

3.2 變形特征分析

礦體開采后，采場(chǎng)周邊巖體應(yīng)力釋放，應(yīng)力場(chǎng)二次重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生位移。從工況12不同剖面水平位移云圖（圖5）可知：巖體的水平位移總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其最大值從0.22 mm上升至0.26 mm，再降低至0.22 mm，說明礦體中部的水平位移較小。而采場(chǎng)周邊礦體變形最大，往外距離開采邊界越遠(yuǎn)，礦體變形越小，且礦體位移方向指向采場(chǎng)內(nèi)部。從水平位移的量值上來看，位移值變化不大，水平位移值相對(duì)在安全范圍內(nèi)，但右側(cè)幫位移整體大于左側(cè)幫，在右側(cè)幫不排除會(huì)出現(xiàn)片幫等現(xiàn)象。

同時(shí)，由y=62 m剖面不同工況水平位移分布云圖（圖6）可知：在礦體開采過程中，巖體變形量在總體上是變化不大的，保持在0.21 mm，而在工況9、10、11、12進(jìn)行時(shí)，較大水平位移主要集中于硐室右側(cè)幫附近，存在片幫滑落的風(fēng)險(xiǎn)，且右側(cè)幫風(fēng)險(xiǎn)較左側(cè)更大需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制，但總體來說水平位移值不大，在安全范圍內(nèi)。

3.3 保護(hù)措施

開采時(shí)拉應(yīng)力主要集中在頂板中央與底板位置，因此在這些位置更容易發(fā)生破壞，兩幫變化不大。頂板復(fù)雜的應(yīng)力集中容易導(dǎo)致頂板局部冒落現(xiàn)象，因此在開采過程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)頂板的監(jiān)測(cè)與防護(hù)?？傮w來說礦房受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2 MPa以下，礦房較為安全。條柱開采前后采場(chǎng)幾乎沒有塑性積累，破壞接近區(qū)也比較穩(wěn)定，因此相對(duì)于條柱開采前，采場(chǎng)發(fā)生破壞的可能性有所提高，但是在可控范圍之內(nèi)，條柱的去除是可行的。

建議若不去除條柱，一定要采取必要的支護(hù)措施（錨桿支護(hù)等）來防止片幫破壞的發(fā)生；若去除條柱，一定要在開采時(shí)應(yīng)對(duì)頂板進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)、加固措施。

4 結(jié) 論

條柱對(duì)于鑿巖硐室穩(wěn)定性作用明顯，盡管條柱去除后，在理論上鑿巖硐室仍能維持穩(wěn)定，但考慮到巖體質(zhì)量分布的隨機(jī)性，人員設(shè)備直接暴露于硐室頂板之下的安全風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。因此，工程中鑿巖硐室條柱應(yīng)盡可能地保留，在巖體質(zhì)量不佳區(qū)域，建議硐室形成后及時(shí)支護(hù)，提高硐室自承能力［7］和整體性，以保證回采作業(yè)安全有序的進(jìn)行。