張紹周,蘇之品,陳玉明

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工學(xué)院; 2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院)

引 言

礦體在開采過程中引起應(yīng)力二次分布及礦巖移動變形非常復(fù)雜,僅從理論方面對其進(jìn)行計算分析很難客觀、全面反應(yīng)研究對象的變化過程,必須借助理論計算之外的其他研究手段[1-5]。計算機(jī)模擬分析技術(shù)能很好地解決這個問題,借助計算機(jī)模擬軟件能夠很好地監(jiān)測巖體在開挖過程中的應(yīng)力、位移及其他一些物理量的變化過程。目前,計算機(jī)模擬分析技術(shù)已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,也出現(xiàn)了很多研究方法和模擬軟件,最具代表性的研究方法和軟件包括:以Flac3D軟件為代表的有限差分法、以3D-σ和ANSYS為代表的有限單元法、以Examine3D為代表的邊界元法、以2D-Block和UDEC為代表的離散元法及其他一些研究方法,如流形元法、不連續(xù)變形分析法等[6-9]。以上各種計算方法具有各自不同的特點和適用領(lǐng)域。以Flac3D軟件為代表的有限差分法最大的特點在于注重對整個過程的分析,其三維計算結(jié)果包括應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等,給出的信息量非常大,特別適用于模擬分析漸進(jìn)破壞、失穩(wěn)及大變形問題。

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是實現(xiàn)礦山安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)的重要因素之一,合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不僅能夠提高礦山的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益,而且能夠降低采場不穩(wěn)定、采空區(qū)應(yīng)力集中等帶來的安全風(fēng)險。因此,本文采用以Flac3D軟件為代表的有限差分法對某礦山不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,優(yōu)選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的開采方案。

1 工程概況

某礦山總體呈單斜構(gòu)造緩傾斜產(chǎn)出,礦體傾角14°～34°,平均傾角26°,分布于11勘探線—25勘探線,走向長1 650 m。該礦山礦石主要為灰質(zhì)氧化錳礦石,普氏硬度系數(shù)f=6～7,密度3～3.1 t/m3,中等穩(wěn)固。頂板圍巖為粉砂巖、灰?guī)r、泥巖,f=3～6,一般中等穩(wěn)固,局部地區(qū)有泥巖0.1～0.3 m,易分離,穩(wěn)固性較差。底板圍巖為粉砂巖、灰?guī)r,f=3～6,密度2.6 t/m3,中等穩(wěn)固至穩(wěn)固。礦床的開采順序按照自上而下進(jìn)行,當(dāng)有二層平行礦層時,先采下盤礦層。根據(jù)該礦山礦體開采技術(shù)條件及相關(guān)礦山開采經(jīng)驗,目前該礦山選用的采礦方法有:

1)房柱采礦法:適用于頂板圍巖中等穩(wěn)固地段。當(dāng)?shù)V體厚度大于1.2 m時,采用普通房柱采礦法;當(dāng)?shù)V體厚度小于1.2 m時,采用破底(頂)房柱采礦法。

2)壁式崩落采礦法:適用于頂板圍巖不穩(wěn)固,穿過斷層和礦層重疊地段。由于V9與V8礦層相隔較近,因此為了保證V8礦層的開采安全,根據(jù)V9礦層的頂板巖性及穩(wěn)固程度,同時考慮對采場生產(chǎn)能力的要求,采用長壁式崩落采礦法最為合適。當(dāng)?shù)V層被橫向斷層切割較嚴(yán)重時,則采用短壁式崩落采礦法。

2 數(shù)值模擬

2.1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

通過對該礦山主要礦巖進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗得到各巖體力學(xué)參數(shù),同時考慮試件的尺寸效應(yīng)、礦巖所處的力學(xué)環(huán)境等因素,基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減,獲得數(shù)值模擬計算所需的物理力學(xué)參數(shù),結(jié)果見表 1。

表1 折減后礦巖的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型構(gòu)建

應(yīng)用Flac3D軟件構(gòu)建數(shù)值模型,模型建立的范圍為9勘探線—25勘探線,模型x方向為垂直礦體走向方向,長度為1 627 m;y方向為礦體走向方向,長度為1 910 m;z方向為豎直方向,模型底部標(biāo)高900 m,頂部標(biāo)高模擬礦山實際地形。由于計算研究范圍涉及的巖體、礦體均屬于彈塑性材料,故模型材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,共劃分2 420 550個單元和2 552 448個節(jié)點。

計算模型域邊界采取位移約束,由于開挖影響范圍有限,在離拉底較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小,可將計算模型邊界處位移視為零。因此,計算域邊界采取位移約束,即模型底部所有節(jié)點采用x、y、z3個方向約束,側(cè)面水平約束和底面固定約束,模型頂部為自由邊界,計算模型見圖1、圖2。

圖1 整體計算模型

圖2 礦體形態(tài)

2.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)礦山實際開采情況及礦巖的物理力學(xué)性質(zhì),應(yīng)用Flac3D軟件模擬該礦山礦體開挖順序,較為真實地反映開挖方式,自上而下進(jìn)行,階段高度25 m。模擬計算方案如下:

1)方案一,礦房長40 m,礦房間留2 m連續(xù)間柱,頂、底柱2 m。

2)方案二,礦房長40 m,礦房間留2 m連續(xù)間柱,不留頂、底柱,連續(xù)開采。

3)方案三,礦房長40 m,礦房間留4 m連續(xù)間柱,頂、底柱2 m。

4)方案四,充填采礦法,礦房長40 m。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng) 力

礦體開挖后會引起采場應(yīng)力的重新分布,頂板易產(chǎn)生拉伸破壞導(dǎo)致采場失穩(wěn),因此頂板的最大主應(yīng)力分布情況是影響采場穩(wěn)定性的重要因素[10-13]。采用上述4種開采方案對該礦體開采至1 060 m標(biāo)高時,頂板應(yīng)力分析情況見圖3。

圖3 頂板應(yīng)力分布云圖

從圖3可以看出:礦體開采后,初始應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破,礦體圍巖應(yīng)力得到釋放,頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力。方案二不留頂、底柱連續(xù)開采的拉應(yīng)力值最大,為0.97 MPa,拉應(yīng)力值最小的是方案四充填采礦法,為0.09 MPa。通過巖石力學(xué)試驗及巖體力學(xué)參數(shù)得到該礦山老頂抗拉強(qiáng)度為0.52 MPa。模擬結(jié)果中,方案一和方案二頂板拉應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于老頂抗拉強(qiáng)度值,方案三則處于臨界狀態(tài)。因此,連續(xù)開采或者礦柱留設(shè)較小、暴露面較大時可能會出現(xiàn)頂板由拉應(yīng)力導(dǎo)致的拉裂破壞。在9勘探線—11勘探線的礦體頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,這是由于該部分礦體埋深較深,約450 m左右,地壓顯現(xiàn)較為明顯,因此開采這部分礦體時應(yīng)采取一定的地壓控制措施。

3.2 塑性區(qū)

礦體開挖后采場內(nèi)塑性區(qū)范圍代表巖體內(nèi)部破壞程度,因此可以用模型塑性區(qū)范圍表征采場穩(wěn)定性[14-17]。采用上述4種開采方案對該礦體開采至1 060 m標(biāo)高時,頂板塑性區(qū)云圖見圖4。

圖4 頂板塑性區(qū)云圖

從圖4可以看出:礦體開采后,方案二不留頂、底柱連續(xù)開采時,頂板出現(xiàn)較大面積且連續(xù)的塑性區(qū),采場處于不穩(wěn)定狀態(tài)可能出現(xiàn)大范圍的垮塌破壞。方案一開采9勘探線—13勘探線標(biāo)高1 200～1 060 m礦體時,采場頂板都有塑性區(qū)出現(xiàn),這是由于該部分礦體埋藏較深,地壓顯現(xiàn)較大所導(dǎo)致。采用方案三留4 m連續(xù)間柱開采時,采場暴露面積減小,連續(xù)塑性區(qū)長度減小,但在深部采場仍然具有大量塑性區(qū)。只有采用充填采礦法開采的方案四,塑性區(qū)明顯減小,只存在于個別的采場。因此,建議礦山開采9勘探線—11勘探線埋藏較深的礦體時,應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)牡貕嚎刂拼胧?以保證采場的穩(wěn)定性。

3.3 方案綜合分析

根據(jù)4種開采方案的數(shù)值模擬應(yīng)力、塑性區(qū)計算結(jié)果:方案四效果最佳,方案三、方案一次之,方案二最差(舍去)。但方案四充填成本較高,且該礦段礦石品位低,經(jīng)濟(jì)效益差。方案三礦房間留4 m連續(xù)間柱,頂、底柱2 m,會造成采礦損失率、礦石貧化率高,同樣經(jīng)濟(jì)效益不理想。

采用方案一進(jìn)行礦體開采,開采1 535～1 060 m標(biāo)高時,礦體頂板的應(yīng)力變化見圖5,不同開采標(biāo)高礦體頂板壓應(yīng)力走勢見圖6,拉應(yīng)力走勢見圖7。

圖5 方案一不同開采標(biāo)高頂板應(yīng)力云圖

圖6 方案一不同開采標(biāo)高頂板壓應(yīng)力走勢圖

圖7 方案一不同開采標(biāo)高頂板拉應(yīng)力走勢圖

從圖5～7可以看出:在開采1 185 m標(biāo)高以上礦體時,隨著開采深度的增加,頂板壓應(yīng)力逐漸增大,在開采1 285～1 185 m標(biāo)高時,壓應(yīng)力增長最快,隨后1 185 m標(biāo)高以下開采壓應(yīng)力趨于平穩(wěn)。開采1 235 m標(biāo)高以上礦體時,隨著開采深度的增加,拉應(yīng)力變化不大,而當(dāng)繼續(xù)開采1 235 m標(biāo)高以下礦體時,拉應(yīng)力逐漸增大,這時頂板將會由于拉應(yīng)力過大而被破壞。

綜上計算結(jié)果可得出:方案一中頂板應(yīng)力變化的拐點是開采至標(biāo)高1 235 m,此時頂板承受的拉應(yīng)力為0.469 MPa,壓應(yīng)力為29 MPa,均小于該礦山老頂自身的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。因此,開采1 235 m標(biāo)高以上礦體時,采用方案一;開采1 235 m標(biāo)高以下礦體時,頂板承受的應(yīng)力迅速增大,且超過頂板自身的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,故采用方案四。

4 應(yīng)用及效果

采用上述方案進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗,通過現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證,該礦山應(yīng)用上述方案取得了良好的效果。采用方案一開采1 535～1 235 m標(biāo)高礦體,采礦損失貧化明顯降低,出礦效率大幅提高;采用方案四開采1 235～1 060 m標(biāo)高礦體,回采時地壓得到有效控制,確?；夭蛇^程安全,采場取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表2 采場取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 結(jié) 論

通過對4種開采方案的數(shù)值模擬分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比可得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)開采1 235 m標(biāo)高以上礦體時,采用不對采場進(jìn)行充填的方案,頂板均出現(xiàn)塑性區(qū)和頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象,但未對頂板造成破壞,采場沒有失穩(wěn),采用方案一技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)效益最佳。

2)隨著開采深度的增加,頂板壓應(yīng)力及拉應(yīng)力逐漸增大,壓應(yīng)力在開采1 285～1 185 m標(biāo)高礦體時增長最快,拉應(yīng)力在開采1 235 m標(biāo)高以下礦體時增長最快。采用方案四充填采礦法能有效控制地壓,保證采場的穩(wěn)定性,雖然成本高,但是安全性得到有力保障。

3)根據(jù)不同開采標(biāo)高應(yīng)力的變化情況選用不同的開采方案,更符合礦山開采安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的要求,即在確保安全的前提下提高礦產(chǎn)資源回采率,降低采礦損失率和礦石貧化率,從而達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的有效平衡。