孟凡明 匡 鑫 王 禎 孫曉剛 袁 龍 邱景平

(1.罕王實(shí)業(yè)集團(tuán)(撫順)礦業(yè)有限公司,遼寧 撫順 113000;2.撫順市馬郡城鐵礦有限責(zé)任公司,遼寧 撫順 113007;3.招金礦業(yè)股份有限公司,山東 招遠(yuǎn) 265400;4.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采,眾多礦山企業(yè)面臨著“三下”開采的難題[1-3]。充填采礦法既能滿足“三下”開采的需求,又能兼顧礦山環(huán)境的保護(hù)[4-5],符合我國建設(shè)綠色礦山和環(huán)境保護(hù)的政策,因此得到了礦山企業(yè)的廣泛應(yīng)用。針對礦體埋藏較淺且地表有重要建構(gòu)筑物或水體的情況,通常采用留設(shè)隔離層對地表進(jìn)行保護(hù),其厚度是影響安全高效回采的重要因素,同時(shí)礦塊回采順序的選擇也直接影響地表沉陷范圍,因此有必要對隔離層安全厚度和礦塊回采順序進(jìn)行研究。理論方面,基于彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué)等的發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者先后提出了普氏拱法、荷載傳遞交匯線法、厚跨比法等理論方法,為估算隔離層厚度提供理論支撐[6-8]。趙增山等[9]以張家洼鐵礦崩落轉(zhuǎn)充填為研究背景,通過普氏拱理論和厚跨比法計(jì)算隔離層安全厚度范圍,為采場穩(wěn)定提供依據(jù)。隨著模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展和有限元數(shù)學(xué)理論在采礦領(lǐng)域的應(yīng)用,為分析復(fù)雜條件下礦體開采的穩(wěn)定性提供了一種新的技術(shù)手段[10-11]。劉艷章等[12]基于π定理建立了隔離層厚跨比模型,結(jié)合程潮鐵礦工程背景利用有限元軟件驗(yàn)證了模型的合理性。李夕兵等[13]采用相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了濱海基巖礦體開采的礦巖穩(wěn)定性。Chen等[14]基于理論模型和UDEC數(shù)值軟件模擬綜合研究濱海礦體開采產(chǎn)生的裂隙高度,通過現(xiàn)場安裝探測儀驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。Li等[15]根據(jù)地質(zhì)鉆孔圖并結(jié)合SURPAC構(gòu)建三維數(shù)值模型,利用有限元軟件模擬出隔離層安全系數(shù)、塑性區(qū)等結(jié)果,為隔離層的留設(shè)厚度提供依據(jù)。胡超等[16]采用相似材料試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了某鐵礦不同回采順序?qū)Σ蓤龇€(wěn)定性的影響。

本研究以馬郡城鐵礦為工程背景,為確保礦區(qū)10線以東礦段地下開采活動(dòng)不會(huì)對地表建筑等造成影響。運(yùn)用厚跨比法、普氏拱理論等5種理論方法對隔離層厚度進(jìn)行估算,并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬對理論值的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)為達(dá)到減小開采活動(dòng)對地表影響的目的,對礦塊回采順序進(jìn)行優(yōu)化,最終確定隔離層厚度和礦塊回采順序,為該礦段的安全開采提供參考依據(jù)。

1 工程背景

馬郡城鐵礦窯崗采區(qū)內(nèi)共圈定9條礦體,均賦存較淺,地表不允許塌陷,第四系厚度為4.5～16.40m。礦體賦存于太古界鞍山群通什村組中,估算鐵礦石資源儲(chǔ)量達(dá)138.196萬t,平均品位TFe 34.25%,礦體總體走向?yàn)楸蔽飨?南西傾向。礦區(qū)10線以東范圍內(nèi)有馬郡河、地板廠等建筑物且采區(qū)外毗鄰馬郡村,該區(qū)域內(nèi)以開采Fe1礦體為主。其中Fe1礦體走向?yàn)楸蔽鳌蠔|,傾向 210°～229°,傾角 35°～75°;厚度1.03～31.49m,厚度變化系數(shù)為82.38%,平均厚度8.22m;礦石品位TFe 20.77～40.21%;品位變化系數(shù)12.67%,平均品位TFe 35.22%;礦體呈似層狀,賦存標(biāo)高為95～220m。為確保地表河流和建筑物的安全,現(xiàn)階段該區(qū)域礦段采用淺孔留礦嗣后充填法對礦體進(jìn)行開采,礦塊沿走向布置時(shí)長40 m,垂直走向布置時(shí)為礦體厚度,礦塊高度28～45 m,間柱寬度6 m,頂柱高度4 m,不留設(shè)底柱。

由于礦體賦存較淺,為確保地表河流和建筑物不受開采活動(dòng)影響,需留設(shè)一定厚度的隔離層。若留設(shè)的隔離層厚度過大,礦產(chǎn)資源壓占過多,若留設(shè)厚度不夠,不僅地表河流及建筑物受開采活動(dòng)影響,還會(huì)影響下部采場安全。因此,合理確定隔離層厚度,保障礦山安全開采、提高資源回收率意義重大。為了保證礦區(qū)10線以東礦段的安全高效生產(chǎn),本研究通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法對隔離層厚度的確定進(jìn)行分析。

2 理論計(jì)算與分析

對于礦區(qū)10線以東隔離層的留設(shè),為了得到合理的厚度,采用厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、普氏拱理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)法和K.B.魯別涅依特理論[17-19]5種理論方法分別計(jì)算隔離層厚度。表1列出了5種方法的理論計(jì)算公式。

表1 理論計(jì)算方法匯總Table 1 Summary of theoretical calculation methods

表1中,H為隔離層厚度,m;W為采空區(qū)跨度,m;Ks為安全系數(shù);β0為傳遞線與隔離層中心豎直線的夾角,(°);h為采空區(qū)高度,m;φ0為巖石內(nèi)摩擦角,(°);f為巖石堅(jiān)固性系數(shù);σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;ρ為巖石密度,t/m3;b為隔離層單位計(jì)算寬度;σt為巖體抗拉強(qiáng)度,kPa;Kc為結(jié)構(gòu)面削弱系數(shù),取Kc=2～3;q為隔離層上覆巖層荷載,MPa;K0為結(jié)構(gòu)面削弱系數(shù),取K0=2～3;σnτ為彎曲條件下的巖石極限強(qiáng)度,MPa;K3為強(qiáng)度安全系數(shù),取K3=7～10。

由于每種計(jì)算方法考慮的因素不同[20],厚跨比法和荷載傳遞線交匯法只考慮采空區(qū)跨度的影響;普氏拱理論考慮了采空區(qū)的跨度、采空區(qū)高度和巖石的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角,適用性廣;結(jié)構(gòu)力學(xué)法和K.B.魯別涅依特理論則考慮了巖體強(qiáng)度、巖體特性以及隔離層上部荷載等因素,故使用一種方法的計(jì)算結(jié)果對隔離層厚度進(jìn)行估算過于片面,因此需要對5種方法的計(jì)算值進(jìn)行綜合分析。圖1為不同安全系數(shù)條件下由5種方法分別計(jì)算得到的隔離層厚度。

圖1 不同安全系數(shù)與隔離層厚度間關(guān)系Fig.1 Relationship between different safety factors and isolation layer thickness

通過圖1、表2的計(jì)算可知,由于5種理論方法考慮的影響因素不一樣,計(jì)算出的隔離層厚度不同,其估算結(jié)果相差較大。根據(jù)類似礦山地下安全開采的經(jīng)驗(yàn),安全系數(shù)應(yīng)在1.6～1.8以上[21],結(jié)合5種方法的理論計(jì)算值,窯崗采區(qū)10線以東礦段安全開采的隔離層厚度可考慮在16～36 m的范圍內(nèi),由于隔離層厚度范圍跨度大,需要結(jié)合數(shù)值模擬來確定+100 m中段礦體合理的開采上限。

表2 安全系數(shù)與隔離層厚度理論計(jì)算值Table 2 Theoretical calculation value of safety factor and isolation layer thickness

3 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D軟件,建立窯崗采區(qū)10線以東礦段三維數(shù)值模型,通過模擬驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的合理性,同時(shí)確定+100 m中段在充填開采條件下,地表河流、建筑物的穩(wěn)定性及第四系底部的圍巖的變形性破壞特征。結(jié)合第四系底部不發(fā)生塑性破壞和地表沉陷規(guī)律滿足相關(guān)規(guī)程綜合判斷安全開采的隔離層厚度。

3.1 模型建立

建立模型的主要區(qū)域?yàn)楦G崗采區(qū)10線以東礦段,沿礦體走向從10線到12線,長300 m,高100m,模型寬40m。采礦方法為淺孔留礦嗣后充填法,礦塊沿走向布置長40 m,間柱寬度6m,頂柱高度4m。此模型包括馬郡河、第四系、圍巖以及埋藏的礦體,位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 三維模型Fig.2 Three-dimensional model

模型邊界條件采用位移約束:模型的前后施加Y方向的位移約束;左右施加X方向的位移約束;模型的底面邊界施加3個(gè)方向的位移約束,邊界各方向的初始位移均為零。模擬采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型,計(jì)算過程中對不同的分組賦予不同的材料參數(shù)值,具體見表3。

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Materials physical and mechanical parameters

3.2 隔離層厚度模擬結(jié)果分析

由于礦體埋藏較淺,因此隔離層的厚度直接影響+100m中段礦塊的開采高度?，F(xiàn)階段該礦段的礦塊設(shè)計(jì)高度為35 m,對應(yīng)隔離層厚度最小為24m。在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬,分析第四系底部圍巖的變形性破壞特征,塑性區(qū)分布如圖3(a)所示,豎直位移分布如圖4(a)所示。由圖可知,當(dāng)?shù)V塊高度為35m時(shí)最大沉降量為20.2 mm,且塑性區(qū)范圍未達(dá)到第四系底部,即第四系底部的巖層未受開采活動(dòng)的影響而發(fā)生破壞,同時(shí)也驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)中隔離層厚 度留設(shè)的合理性。

圖3 塑性區(qū)分布圖Fig.3 Plastic zone distribution diagram

圖3(a)中塑性區(qū)的最高處與第四系底部還有一段距離,可以適當(dāng)提高礦塊的高度以減小壓占的礦產(chǎn)資源量,因此分別對40 m和45 m礦塊高度進(jìn)行模擬,塑性區(qū)分布如圖3(b)、圖3(c)所示,當(dāng)?shù)V塊高度為40 m時(shí),塑性區(qū)接近第四系底部,而礦塊高度為45 m時(shí),塑性區(qū)的范圍已經(jīng)延伸到第四系中,即第四系底部巖層發(fā)生破壞,其中間柱以剪切破壞形式為主,而隔離層巖體破壞形式以拉伸破壞為主。豎直位移分布如圖4所示,從位移云圖中可以看出,礦塊上部圍巖的位移量均由兩側(cè)向中央逐漸增大。為充分了解不同礦塊高度對地表建筑物和河流的影響,在模型頂端布置監(jiān)測點(diǎn)對地表位移進(jìn)行檢測,地表監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。監(jiān)測點(diǎn)從馬郡河開始布置,共布置21個(gè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)間隔10 m。

圖4 豎直位移云圖Fig.4 Vertical displacement cloud map

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.5 Layout of monitoring points

監(jiān)測點(diǎn)位移規(guī)律如圖6所示,沿礦體走向方向,沉降量的最大值位于中間位置的監(jiān)測點(diǎn)處,呈現(xiàn)出拋物線的形式,而水平變形量的最大值位于模型兩側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)處。不同開采高度下監(jiān)測點(diǎn)最大沉降量分別為16.9、18.3、19.9mm,最大水平變形量分別為7.8、8.3、9.0 mm,都隨著開采高度的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢,且沉降量的增幅也逐漸增大。由于礦塊高度的增加,導(dǎo)致隔離層厚度降低,所以地表沉降量、水平變形量均呈增加的趨勢,對第四系及地表的影響程度也越顯著。因此結(jié)合上述豎直位移分布圖、塑性區(qū)分布圖以及地表監(jiān)測點(diǎn)的位移規(guī)律,可以將礦塊回采高度提高到40m,則對應(yīng)的隔離層安全厚度最小為19m。

圖6 不同礦塊高度監(jiān)測點(diǎn)位移規(guī)律Fig.6 Displacement law of monitoring points with different ore block heights

3.3 開采順序結(jié)果分析

由于開采礦段位于礦區(qū)的邊緣,且采礦證的最低標(biāo)高為+95m,因此現(xiàn)階段該區(qū)域礦段初步共設(shè)計(jì)開采3個(gè)礦塊。在隔離層厚度模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,分別對礦塊進(jìn)行從右至左(順序1)和從左至右(順序2)的開采順序模擬,并利用地表監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比,結(jié)果如圖7所示,圖7(a)中的每一步開采表示開采結(jié)束并充填完一個(gè)礦塊。

圖7 不同開采順序下地表地表監(jiān)測點(diǎn)位移規(guī)律Fig.7 Displacement law of surface monitoring points under different mining sequences

從圖7(a)中可以看出2種礦塊回采順序下,地表最大沉降量都隨著開采礦塊數(shù)量的增加而增大,沉降量最大增幅值均出現(xiàn)在開采礦塊數(shù)達(dá)到2個(gè)時(shí);對比不同開采順序所引起的地表最大沉降量時(shí),可以得出順序1的每一步開采最大沉降量均小于順序2,且沉降量差值呈現(xiàn)增大的趨勢。從圖7(b)中可以看出,在靠近河流一側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)處,順序1的水平變形量略大于順序2,而遠(yuǎn)離河流一側(cè)與之相反,這主要是由于在開采過程中,監(jiān)測點(diǎn)的水平變形量不斷累積,使最先開采礦塊上方的監(jiān)測點(diǎn)水平變形量最大,但順序1與順序2的水平變形量相差不大,因此地表水平變形量受回采順序的影響較小。結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)的位移規(guī)律,選擇順序1的礦塊回采順序?qū)Φ乇沓料莸挠绊懜?即地表河流及建筑物受地下開采活動(dòng)的影響更小。

對于地表河流以及構(gòu)建筑物的安全性評價(jià),一般采用的指標(biāo)包括:傾斜變形、曲率、水平變形。因此對礦塊高度40 m、順序1的地表監(jiān)測點(diǎn)位移規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示,得出對窯崗采區(qū)10線以東礦段進(jìn)行開采充填后的地表最大傾斜i=-0.56 mm/m,最大水平變形ε=0.75 mm/m,最大曲率k=0.076×10-3/m,均符合《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)等規(guī)程允許的地表變形值。

圖8 地表監(jiān)測點(diǎn)變形值Fig.8 Deformation value of surface monitoring points

4 結(jié) 論

結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬,綜合確定了窯崗采區(qū)10線以東礦段安全開采的隔離層厚度,并對礦塊回采順序進(jìn)行了優(yōu)化,得出主要結(jié)論如下:

(1)采用厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、普氏拱理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)法和K.B.魯別涅依特理論5種方法分別計(jì)算隔離層厚度,得出安全開采的隔離層厚度可考慮在16～36 m的范圍。

(2)通過對不同礦塊回采高度的模擬,結(jié)合豎直位移分布圖、塑性區(qū)分布圖以及地表監(jiān)測點(diǎn)的位移規(guī)律,得出隔離層安全厚度為19 m,礦塊合理的回采高度上限為40 m。同時(shí)驗(yàn)證了理論計(jì)算隔離層厚度范圍的合理性。

(3)對于不同礦塊回采順序的模擬,結(jié)合地表監(jiān)測點(diǎn)的位移規(guī)律,從右至左的礦塊回采順序的地表沉陷值更小,即地表河流及建筑物受地下開采活動(dòng)的影響更小。

(4)基于礦塊高度40 m,從右至左的回采順序模擬結(jié)果,得出地表最大傾斜i=-0.56 mm/m,最大水平變形ε=0.75 mm/m,最大曲率k=0.076×10-3/m,均符合《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)的地表允許變形值。