數值模擬在分層充填法采場參數選擇中的應用

楊家冕 劉人恩 王 星

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室; 3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心;4.中鋼集團山東礦業有限公司)

1 地質概況

1.1 水文地質條件

蒼山鐵礦礦區地下水補給來源主要為大氣降水，降水通過基巖裂隙直接補給，是泰山群山草峪組、寒武系、震旦系裂隙水補給來源之一。第四系在本區分布不廣，一般分布于地形低洼處及河流兩側，接受大氣降水和河流補給，僅在枯水期補給河水。第四系孔隙水亦是基巖裂隙水的補給來源，礦體與圍巖中含有不均勻的裂隙水，富水性弱，透水性差。礦區水文地質條件簡單。

1.2 工程地質條件

礦體頂板為黑云母長英變粒巖類巖石，按普氏分類法屬I～Ⅲ級，由上而下，由堅硬變為極堅硬，密度2.68～3.46 t/m3，抗壓強度83.5～201.2 MPa。礦石垂直抗壓強度47.7～314.6 MPa，平均值210.4 MPa，抗剪強度5.2～46.7 MPa，平均34 MPa，其普氏系數在5～31，平均為21。礦體底板角閃巖類巖石，屬Ⅱ級極堅硬巖石，密度2.74～3.12 t/m3，抗壓強度24.1～185.2 MPa，內摩擦角大于80°?？傮w來說，礦床工程地質條件良好，作用于坑道之上土石壓力不大，適宜井下工程建設。

1.3 礦體特征

蒼山鐵礦主礦體賦存于泰山群山草峪組變質巖層中，呈鞍狀，沿南北翼展布，走向一般為290°，兩翼傾角多為30°左右，局部地段傾角大于45°。礦體走向長約2.5 km，厚度4～25 m。

2 采礦方法

由于蒼山鐵礦礦區地表有農田、民房等需要保護的對象，地表不允許塌陷，所以崩落采礦法不予以考慮。依據礦體賦存特點與礦床開采技術條件，考慮到地表不允許沉降、要求保護的事實，及礦山有用元素品位低，只能通過采用高效、大規模開采才能贏利的實際情況，在對國內外資料調研的基礎上，首先提出了“盤區機械化分層尾砂充填采礦法”、“盤區機械化點柱式大分層尾砂充填采礦法”這2個初選方案。在此基礎上，采用巖石力學相關理論，并應用計算機數值模擬與分析，然后通過綜合經濟比較分析法確定“盤區機械化點柱式分層尾砂充填采礦法”作為礦山采礦的主體方案。

標準盤區點柱式上向水平分層充填法如圖1所示。

圖1 標準盤區點柱式上向水平分層充填法(單位為m)

3 采場參數初選

盤區點柱式上向分層充填法的采場參數選取依據主要就是采場點柱所控制的采場面積大小，即采場點柱的尺寸及點柱間的距離。

對于空場采礦法中的礦柱來說，其安全系數通常都認為應大于1，特別是有礦柱擠壓趨勢的堅硬礦巖。分層充填采礦法礦房中的點柱設計與其他空場法開采時的礦柱相同，都是以礦柱的強度和作用在礦柱上的最大垂直載荷為基礎，載荷的大小按面積理論確定。但礦柱作用機理的實驗室和現場的工業試驗研究結果表明:在充填體中的礦柱的破壞是與充填體同時逐漸形成的，不會產生突然的破壞，從而能有效地防止頂板冒落。因此，礦柱的安全系數接近1，設計按1選取，即礦柱強度等于礦柱的載荷時，就可以穩定地支撐頂板。

根據國內外類似礦山和點柱上向水平分層充填采礦法的應用現狀，以及蒼山鐵礦的開采技術條件及開采現狀，根據Biwniawski所提出的礦柱強度的設計公式計算出合適的點柱尺寸后，確定采場內最大暴露面積按3組(400 m2、500 m2和600 m2)分別進行數值模擬分析。

4 數值分析

近年來發展起來的FLAC程序能模擬巖體從小變形到大變形以及破壞全過程，是一種很有效的數值計算手段。因此利用專門針對巖土工程開發的有限差分程序FLAC3D對蒼山鐵礦采場的穩定性進行數值模擬。

4.1 計算模型建立及邊界條件確定

數值模擬模型的范圍大小及單元的劃分對數值模擬結果的精度及可靠性有著十分重要的影響，在計算機條件允許的情況下，計算域盡可能取大些，至少應能夠基本保證由于開挖引起的圍巖最大移動范圍或變形范圍處于計算區域以內。

本次計算結合蒼山鐵礦的工程地質條件、礦體賦存條件及所用的點柱式上向水平分層充填采礦法的特點，為完全模擬開采過程、頂板圍巖受采動影響的過程、開采過程中點柱的穩定性，以蒼山鐵礦32～56勘探線剖面圖中具有代表性的36線、38線、38'線、41線、41'線、42線、44線、48線以及55線剖面圖為建模的基礎數據，沿礦體走向方向進行采礦作業的研究，進行數值模擬。最終確定以下3組模型進行相關數值計算:

模型1。暴露面積為400 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型2。暴露面積為500 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

模型3。暴露面積為600 m2的模型，長度500 m，寬度100 m，高度324 m。

由于計算時模型的尺寸已經考慮了采場開挖以后造成的影響范圍，故而只需于模型前后、左右及底面施加約束即可，其中將模型于前后及左右方向均施加水平方向約束，于模型底部施加垂直方向的約束，模型頂面為自由面。

4.2 巖體力學參數選取

根據蒼山鐵礦的工程地質特征、室內巖石的物理力學參數以及此次計算的要求，經歸類及工程處理后，考慮了3種力學介質:上盤，黑云母角閃片巖;下盤，磁鐵角閃片巖;礦體，磁鐵礦石。在數值模擬過程中所用力學參數見表1。

表1 礦巖體力學參數

4.3 模擬計算方案

影響采場穩定性及充填效果的因素很多，一般主要有礦巖賦存環境、采場結構參數、開采方式、開采順序以及開采擾動等實際開采情況。為盡可能真實地反映礦體開采及充填的實際情況，并使得模擬開采在正確的應力環境中進行，數值計算按以下幾個步驟進行。

(1)形成初始應力場。根據建立的模型，按照以上主應力與垂直深度的變化關系形成初始應力場，使模型達到初始應力平衡狀態。

(2)構建采場開采模型。在模型達到初始應力平衡狀態后，進行采場開采模型的構建。本次數值模擬對象為－140 m中段采場，確定盤區采場長度為100 m，寬度為礦體厚度，采場高度為階段高度，即為50 m。

(3)模擬計算空場條件下最大可暴露面積。本次數值模擬根據礦體賦存條件及其初步設計擬定的礦山開采順序，單采場條件下，分別計算暴露面積為400 m2、500 m2、600 m2的采場圍巖應力變化情況及采場頂板位移情況，進而判斷在空場條件下采場的最大可暴露面積。

4.4 結果分析

3 種暴露面積下采場的最大主應力模擬結果見圖2～圖4。

圖2 暴露面積400 m2時最大主應力云圖

由以上模擬結果可知，在單空區條件下，不同暴露面積時，采場上覆巖層中的最大和最小主應力分布均存有共性，即呈層狀分布;另外，采場周圍的主應力基本呈對稱狀分布。頂板暴露面積為400 m2時，最大主應力為10.457 MPa，出現于采場下部兩側，并且在采場頂部角隅處6 m左右伴隨有應力集中現象，采場頂板最大位移量為6.728 mm。暴露面積為500 m2時，采場周圍應力狀態與400 m2時大致相同，最大主應力為10.476 MPa，在頂板角隅處出現應力集中現象，頂板最大位移量為7.024 mm。暴露面積為600 m2時，最大主應力為10.515 MPa，但此時采場頂板最大位移量達1.472 cm，呈明顯上升趨勢，比上2個位移值增加了1倍左右，而且采場頂板有2 m左右范圍處于拉伸狀態，兩幫區域處于剪切狀態。

圖4 暴露面積600 m2時最大主應力云圖

結合以上分析結果，在單采場條件下，采場寬度在12 m以內，高度在8 m內的情況下，頂板最大安全暴露面積控制在500 m2以內，頂板安全是比較可靠的，但在節理裂隙發育地段需另做研究。

5 采場參數的確定

根據國內外類似礦山的開采技術條件、點柱式上向水平分層充填采礦法的應用現狀、開拓現狀以及模擬的結果，確定采場要素為:中段高度50 m，沿礦體走向劃分為開采盤區，盤區長為礦體東西向長度400 m(盤區內劃分4個回采單元，每個回采單元長度為100 m)，寬度為2層礦體的厚度，盤區間留盤區礦柱20 m，頂柱高4 m，分段高度15 m，設計采高4 m，分層控頂高度為6 m左右，第一回采分層開采時可適當放大回采高度，但原則上不允許超過8 m的控頂高度。采場內點柱尺寸為4 m×4 m，點柱中心間距根據現場礦體寬度確定，但控制最大暴露面積不應超過500 m2。

6 結語

通過數值模擬結果，將原來的最大采場暴露面積400 m2增大到現在的500 m2，不僅為采場點柱的留設提供了理論依據，還增加了資源的回收率。通過蒼山鐵礦近2 a的回采實踐的檢驗，所確定采場結構參數是安全、經濟、合理的。

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