特大型地下礦山膠結(jié)充填采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化*

邱景平辛國帥張世玉柳小波孫曉剛張兆仁李家明牛文杰陳 進王瑞雪

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院;2.鞍鋼集團礦業(yè)設(shè)計研究院)

特大型地下礦山采用充填法開采，國內(nèi)外先例不多，產(chǎn)能的保障嚴格依賴于采礦方法生產(chǎn)能力、大能力充填裝備是否可靠、充填系統(tǒng)能否順利運行、充填質(zhì)量能否得到保證、充填體凝固時間能否盡可能縮短等大能力充填關(guān)鍵技術(shù)與裝備。由于特大型地下礦山生產(chǎn)能力大，需要充填的采空區(qū)體積大，所以往往應(yīng)用空場法嗣后充填的方式進行采礦，安徽霍邱李樓鐵礦為實現(xiàn)750萬t的年產(chǎn)量、河北鋼鐵礦業(yè)公司司家營鐵礦(三期)為實現(xiàn)1 500萬t的年產(chǎn)量采用的就是階段礦房嗣后充填的采礦方法。本研究結(jié)合鞍山地區(qū)大型鐵礦的巖性條件和前期膠結(jié)充填試驗結(jié)果，研究采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以便為鞍山地區(qū)大型鐵礦下一步應(yīng)用階段礦房嗣后充填采礦方案提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立

為了達到特大型礦山年產(chǎn)量超過500萬t的要求，需要實行多個盤區(qū)同時生產(chǎn)。設(shè)定每6個礦塊組成1個盤區(qū)，每個盤區(qū)安排3個礦塊同時出礦，先回采礦房，回采完畢進行膠結(jié)充填，最后回采礦柱。圖1為盤區(qū)內(nèi)采場布置，1、3、5、8、10、12為礦房，2、4、6、7、9、11為礦柱。

通過對大量不同應(yīng)力條件下巖體變形破壞特征的分析發(fā)現(xiàn)，地下巖體開挖所引起的擾動區(qū)域有一定邊界，一般可認為巖體擾動范圍為開挖空間的3～5倍，據(jù)此確定本數(shù)值計算域，圖2為利用Ansys建立的模型;研究的本構(gòu)模型取在巖土工程和采礦工程中應(yīng)用較為廣泛的莫爾－庫侖模型。模型的邊界條件為:約束模型前后和左右邊界的水平位移即邊界的水平位移為零;模型底部為固定約束，即底部邊界水平和垂直位移均為零;模型頂部(不為地表)為自由邊界，在模型頂部施加相應(yīng)的壓力(本次選取地下開挖深度約為500 m)，其大小由模型頂部到地表巖體自重產(chǎn)生。選取礦巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 盤區(qū)內(nèi)礦房布置

圖2 Ansys建立的模型

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

為方便開展數(shù)值計算，提高效率，需要對開挖過程進行簡化，同時又確保數(shù)值模擬的有效性，特做如下假設(shè):①礦體、巖體、充填體均視為各向同性材料;②盤區(qū)礦塊開挖前，模型處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài);③假設(shè)采場開挖、充填工藝均為1次完成，忽略爆破動載對開采的影響;④礦山開拓、采準、切割巷道對采場開挖的應(yīng)力場影響較小，予以忽略。

2 試驗方案

本次利用正交試驗方法安排一定的試驗，采用數(shù)值模擬方法來分析研究不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對安全性的影響，并給出合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。

影響階段礦房法采礦采場穩(wěn)定性的因素很多，參照國內(nèi)類似特大型礦山的實際情況，本次主要選礦房高、礦房寬、礦房長和礦柱寬4方面因素，即選取了4因素3水平，因素水平安排如表2所示。

表2 正交試驗因素水平安排 m

3 模擬試驗結(jié)果及有限元分析

(1)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板最大主應(yīng)力模擬正交試驗結(jié)果見表3，極差分析結(jié)果見表4。

表3 最大主應(yīng)力正交試驗結(jié)果

表4 最大主應(yīng)力正交試驗極差分析結(jié)果 MPa

從表4可以看出，影響礦體回采頂板穩(wěn)定性因素的權(quán)重分別為礦房高32.31、礦房長31.24、礦房寬11.97、礦柱寬11.02，即礦房高度和礦房長度對采場回采頂板穩(wěn)定性影響最為明顯，礦柱寬度影響最小。礦房的高度越高，隨著采深的增加，空區(qū)體積變大，頂板自穩(wěn)能力變差，地應(yīng)力作用于頂板效果越明顯，頂板越不穩(wěn)定。試驗1、2、3、6、7，頂板周圍的最大主應(yīng)力較小，相對合理。

(2)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板豎直方向位移模擬正交試驗結(jié)果見表5，極差分析結(jié)果見表6。

表5 豎直方向位移正交試驗結(jié)果

表6 豎直方向位移正交試驗極差分析結(jié)果 cm

從表6可以找出，影響礦體回采頂板位移因素的權(quán)重分別為礦房長度38.92、礦房寬度22.05、礦房高度21.22、礦柱寬度20.22，即采場長度對采場回采頂板位移影響最為明顯，其他因素影響相對較小。這是因為放礦房長度增加時，采場的跨度變大，暴露面積變大時，頂板穩(wěn)定性變差，所以頂板豎直位移就大。對于試驗5、9來說，由于采場應(yīng)力過大，采場充填體受力發(fā)生嚴重破壞，致使豎直位移過大。由此可以看出試驗1、2、6、7的采場穩(wěn)定性較好，相對合理。

(3)采場礦房、礦柱開挖完畢，嗣后充填頂板最小主應(yīng)力模擬正交試驗結(jié)果見表7，極差分析結(jié)果見表8所示。

礦柱開挖是在礦房全部采完，膠結(jié)充填完畢后進行礦柱的開采。結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理對礦柱開挖是否安全影響同樣很大。從表8可以看出，對礦房開挖采場拉應(yīng)力影響最大的是礦房的寬度，權(quán)重為4.95，其次是礦房的長度，權(quán)重為4.01，而礦房的高度影響最小，為1.77。從此可以看出試驗1、2、6情況下采場的穩(wěn)定性較好，相對合理。

表7 最小主應(yīng)力正交試驗結(jié)果

表8 最小主應(yīng)力正交試驗極差分析結(jié)果 MPa

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取過程中，可以優(yōu)先選擇1、2或6方案，而為了達到產(chǎn)量要求，需要在保證采場穩(wěn)定性的條件下對采場的尺寸適當?shù)卦龃螅ＷC采場體積最大。結(jié)合鞍山地區(qū)特大型鐵礦開采技術(shù)條件與充填采礦要求，綜合考慮，選擇方案2為最優(yōu)方案，采場參數(shù):礦房長度為50 m，礦房寬度為18 m，礦柱寬度為18 m，礦房高度為60 m。

4 結(jié)論

根據(jù)本研究結(jié)果，按照安全、高效開采的原則，并結(jié)合開采技術(shù)條件與經(jīng)濟條件，對鞍山地區(qū)特大型鐵礦采場參數(shù)進行了優(yōu)化選擇，確定了最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù):礦房高度為60 m，礦房長度為50 m，礦房寬度為18 m，礦柱寬度為18 m，并通過前期的膠結(jié)充填試驗，確定了合理的灰砂比和料漿濃度，為鞍山地區(qū)大型鐵礦下一步應(yīng)用階段礦房嗣后充填采礦方案提供了科學(xué)依據(jù)。

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