柳振宇

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063501)

0 引言

馬城鐵礦位于河北省灤南縣馬城鎮(zhèn)，資源儲(chǔ)量12.25 億t，礦帶長(zhǎng)約6 km，寬約2 km，是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用上行兩分段同時(shí)開采的地下充填礦山。馬城鐵礦開采對(duì)象為-900～-240 m之間的礦體，劃分為2個(gè)采區(qū)，其中-240～-540 m為上部采區(qū)，-540～-900 m為下部采區(qū)，上下部采區(qū)同時(shí)上向開采。

一般深度大于800～1 000 m的開采，稱為“深部開采”，地應(yīng)力隨開采的延深而逐步增大，當(dāng)增大到某一值時(shí)，巖爆的發(fā)生頻率明顯增加，高應(yīng)力誘發(fā)的巖爆及圍巖變形破壞巷道，嚴(yán)重威脅人員與設(shè)備的安全，要投入大量精力進(jìn)行預(yù)防治理。

目前馬城鐵礦處于基建期，在-900 m及-930 m水平巷道開拓工程中，數(shù)次出現(xiàn)巖爆及巷道圍巖變形問題，為減少高地應(yīng)力對(duì)后期馬城開采的影響，特對(duì)采區(qū)礦房的布置形式進(jìn)行研究。

1 采區(qū)礦房四種典型的布置方式

將充填采礦法礦房按一定方式排列組成的地下采礦空間的支撐體系稱為礦房的構(gòu)造，地下礦開采過程是礦巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布的過程，不同的開采順序及礦房布置形式將會(huì)影響礦巖體內(nèi)部位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布，影響礦房構(gòu)造的整體安全穩(wěn)定，選取合適開采順序及礦房布置形式是采場(chǎng)穩(wěn)定和高效安全開采的關(guān)鍵。

馬城鐵礦采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采，采礦階段高度60 m，沿礦體走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)長(zhǎng)度108 m，盤區(qū)之間留18 m礦柱，每個(gè)盤區(qū)沿礦體走向劃分為2個(gè)礦房，每個(gè)礦房長(zhǎng)度為43 m，中間保留4 m間柱，礦房的尺寸長(zhǎng)×寬×高=43 m×18 m×60 m。

結(jié)合馬城鐵礦礦房尺寸及兩階段上行開采方法，并參考國(guó)內(nèi)諸多礦山中段的布置方式的研究，對(duì)采用四種常見的采區(qū)礦房布置形式進(jìn)行開采，所造成的采場(chǎng)礦巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)及礦巖能量釋放率進(jìn)行數(shù)值模擬，研究地壓的時(shí)空演化規(guī)律，選取較優(yōu)的開采順序及采區(qū)礦房布置方式，控制與調(diào)整地壓活動(dòng)，保證礦山安全生產(chǎn)。四種布置形式：正三角布置，倒三角布置，一翼正三角布置，一翼倒三角布置，見圖1所示。

中央正三角布置 中央倒三角布置

一翼正三角布置 一翼倒三角布置圖1 礦房不同布置方式

2 四種采場(chǎng)布置方式下圍巖穩(wěn)定性分析

有限元方法是上世紀(jì)80年代發(fā)展的數(shù)值分析方法，其中ANSYS、ABQUES、FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用日趨廣泛。目前，F(xiàn)LAC3D 是巖土界的首選軟件，F(xiàn)LAC3D程序中自帶了多種本構(gòu)模型，考慮馬城鐵礦以淺部與深部硬巖為主，擬采用兩種本構(gòu)模型：摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型與巖體劣化本構(gòu)模型，這兩種模型分別模擬不同深度的巖體，建立大型的典型二維精細(xì)模型，如圖2所示。

圖2 二維計(jì)算模型

淺部圍巖采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型時(shí)，其力學(xué)參數(shù)采用初始值，深部圍巖采用RDM本構(gòu)模型時(shí)，其力學(xué)參數(shù)采用初始值和殘余值，不同區(qū)域巖體的力學(xué)參數(shù)參見表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

通過模擬計(jì)算獲得了不同開采方案下，圍巖的應(yīng)力、變形與塑性區(qū)量值，具體見表2與圖3。

表2 不同開采方案計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

位移 最大主應(yīng)力

塑性區(qū)體積 能量釋放率圖3 各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)柱狀圖

3 四種礦房布置方式優(yōu)化分析

3.1 基于礦巖體位移場(chǎng)的優(yōu)化分析

對(duì)四種方案礦巖體位移場(chǎng)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)：四種方案計(jì)算的變形值基本接近，其礦巖的最大變形值在1.41～1.59 cm之間，根據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)圍巖變形對(duì)于不同開采方案的敏感度較低，其中中間倒三角和一翼倒三角的開采方案最優(yōu)，具體不同方案礦巖體位移場(chǎng)見圖4所示。

正三角開采 倒三角開采

一翼正三角開采 一翼倒三角開采

3.2 基于礦巖體應(yīng)力場(chǎng)的優(yōu)化分析

對(duì)四種方案礦巖體應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)：中間倒三角布置方式采場(chǎng)周邊礦巖體的壓應(yīng)力最小，但是壓應(yīng)力集中區(qū)在采區(qū)的上方，這對(duì)上行開采較為不利；而中間正三角布置方式的壓應(yīng)力集中區(qū)雖然量值較大，但是其位置在采區(qū)下部，這對(duì)抑制上行開采中的巖爆問題極為有利，因此采用中間正三角形開采較為合理。具體四種方案礦巖體應(yīng)力場(chǎng)見圖5所示。

中央正三角開采最大主應(yīng)力 中間倒三角開采最大主應(yīng)力

一翼正三角開采最大主應(yīng)力 一翼倒三角開采最大主應(yīng)力圖5 不同方案礦巖體最大主應(yīng)力云圖

3.3 基于礦巖體塑性區(qū)的優(yōu)化分析

塑性區(qū)是巖體力學(xué)狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)四種方案礦巖體塑性區(qū)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)：不同開采方案對(duì)于礦巖體塑性區(qū)范圍與深度的影響也較為明顯，其中一翼倒三角和中間倒三角的塑性區(qū)體積相對(duì)較小，但是分析不同開采方式的塑性區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，中央正三角的塑性區(qū)主要集中在采區(qū)的底部，其礦體上部塑性區(qū)范圍較小，并且由于馬城鐵礦采用上行充填法開采，有了充填體的保護(hù)作用，采區(qū)底部巖體失穩(wěn)破壞對(duì)于上行開采影響極小，因此采用中央正三角形的開采方案更適用于馬城鐵礦。具體四種方案礦巖體塑性區(qū)見圖6所示。

中央正三角開采 中間倒三角開采

一翼正三角開采 一翼倒三角開采

3.4 基于礦巖體能量釋放率的優(yōu)化分析

能量釋放率是描述巖體卸荷過程中能量釋放的相對(duì)值，其能量釋放率越小，說明圍巖卸荷的強(qiáng)度越低，圍巖擾動(dòng)越小。通過四種方案礦巖體能量釋放率模擬分析發(fā)現(xiàn)：中間正三角的采區(qū)布置方式其能量釋放率最小，其次能量釋放的集中區(qū)域在采區(qū)的底部，隨著上行開采的進(jìn)行，底部巖體能量的釋放對(duì)于開采工作影響越來越小。大幅降低了馬城鐵礦開采期間地壓釋放帶來災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，因此從安全開采的角度考慮，中間正三角開采方式最為合理。具體四種方案礦巖能量釋放率見圖7所示。

中央正三角開采 中間倒三角開采

一翼正三角開采 一翼倒三角開采圖7 不同方案礦巖體能量釋放率

4 結(jié)語

綜合分析四種開采方案的變形、應(yīng)力、塑性區(qū)以及能量釋放率各評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)馬城鐵礦采用上行開采方式，正三角布置形式可以最大程度減小頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象，減小圍巖能量釋放率，避免高應(yīng)力地壓災(zāi)害的發(fā)生，因此推薦馬城鐵礦采用正三角方式布置礦房，同時(shí)在回采的過程中加強(qiáng)對(duì)各種巷道、采場(chǎng)頂板、上盤圍巖等的監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，提高采場(chǎng)的穩(wěn)定性。