石人溝鐵礦二步采場結構參數優化

許長新

(河北鋼鐵集團礦業公司石人溝鐵礦)

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石人溝鐵礦二步采場結構參數優化

許長新

(河北鋼鐵集團礦業公司石人溝鐵礦)

摘要為確保石人溝鐵礦二步采場的生產能力和安全性，采用FLAC3D軟件對不同參數的二步采場穩定性進行了分析，得到了安全高效的采場參數。通過分析各參數開采過程中采場頂板的應力和位移變化特征，結合頂板應力與位移分布云圖，分析了各參數采場在開采過程中的穩定情況。結果表明：當采場寬為34～35 m時，采場頂板的最大拉應力值超出其極限抗拉強度，且最大拉應力的分布區域占頂板的90%以上，同時頂板最大位移量達45 mm，頂板易發生拉伸破壞而產生冒頂或垮塌危險。因此，綜合石人溝鐵礦的采場生產能力和安全要求，二步采場的寬度宜設定為30 m。

關鍵詞二步采場結構參數最大拉應力數值模擬

隨著采礦裝備和采礦技術的迅速發展，高分段充填采礦法在黑色金屬礦山得到了廣泛應用[1]。為保證礦山生產能力，提高采場生產效率，降低采礦成本，提高礦山經濟效益，大多礦山采用兩步驟回采順序，即先采礦房，待礦房充填后再采礦柱。礦房開采過程中其側幫為礦體圍巖，采場穩定性好，作業安全，生產效率和能力較大；礦柱開采過程中其側幫為充填體，其強度遠小于礦體原巖，同時礦柱受集中應力作用以及爆破振動的影響，其自身的強度及完整性較差，采場的穩定性較差，增加了礦柱的開采難度[2]。因此，由于礦房和礦柱的開采環境相差較大，礦房和礦柱的采場結構參數宜分別進行優選分析，從而有效保證礦房礦柱安全、經濟、高效回采。

1　工程背景

石人溝鐵礦[3-4]是大型露天轉地下開采礦山，目前以地下開采為主。該礦為鐵硅質沉積建造變質鐵礦床，礦石自然類型為石英巖型磁鐵礦，礦體厚10～50m，傾角65°～75°，平均70°，礦體圍巖為黑云角閃斜長片麻巖、含鐵斜長片麻巖、磁鐵石英巖及中—基性巖脈，礦巖巖堅硬、穩固性好。石人溝鐵礦露天轉地下開采分3期進行建設，地下3期工程開采范圍為-60～-180m中段，設計年產鐵礦石200萬t。根據礦體的開采技術條件，結合礦山對設計生產能力及二步采場開采中存在的問題，采用分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法開采，Simba1254臺車鉆鑿扇形中深孔炮孔，孔底距1.8～2.2m，排距2～2.2m。

2　二步采場參數優化數值模擬

2.1計算模型構建

參照現有的采場結構參數，將4～5倍開挖直徑的區域作為采場圍巖范圍。因此，模型分為4個部分，分別為采場上覆荷載、一步采場充填體、采場礦體及采場底板(圖1)。

圖1　計算模型

2.2二步采場結構參數模擬方案

根據國內采用分段充填采礦法礦山的相關經驗，通過分析對比并參照目前石人溝鐵礦開采的實際情況，采場模擬選擇的一步采場寬度為20m，長度為礦體厚度[5]。為確定二步采場合理的結構參數，依據石人溝鐵礦分段充填采礦法的開采特點與一步采場開采的穩定情況，二步采場的寬度取25，30，35m，采場長度為礦體厚度，具體模擬方案見表1。

2.3巖石力學參數

石人溝鐵礦礦體由磁鐵石英巖組成，圍巖為角閃片麻巖。通過對礦區巖石工程地質調查、上下盤巖石取樣測試及充填體強度試驗，采用RMR巖體工程質量分級法并結合霍克-布朗公式，得出了礦區巖體和充填體的力學參數，見表2。

表1　進路結構參數模擬方案

表2　礦區巖體與充填體物理力學參數

3　數值模擬分析

二步采場頂板主要有2種破壞形式[4]：①頂板上部荷載作用較大導致采場頂板發生較大變形而發生破壞；②開采后頂板拉應力超出其自身的極限抗拉強度而發生拉伸破壞。本研究主要分析不同跨度二步采場開采過程中頂板的位移和應力變化，從而優選出合理的采場參數。

3.1應力分析

不同寬度的二步采場開挖過程中頂板最大拉應力的變化特征見圖2。由圖2可知：隨著二步采場跨度的逐漸增大，頂板最大拉應力也逐漸增大，且頂板最大拉應力的變化率逐漸變大。當采場寬度由25m變為30m時，采場頂板的最大拉應力增幅為0.165MPa/m；當采場寬度由30m變為35m時，采場頂板的最大拉應力增幅為0.34MPa/m；當采場跨度為34～35m時，采場頂板最大拉應力為4.68～4.88MPa，超出了采場頂板的極限抗拉強度，頂板易發生拉伸破壞而發生冒落或垮塌，威脅采場安全。

圖2　采場頂板最大拉應力變化特征

采場頂板應力云圖如圖3所示。由圖3可知：當采場寬度為25m時，采場頂板的中部出現了最大拉應力，其分布區域在采場頂板較小；當采場跨度為30m時，采場頂板出現了明顯的最大拉應力區，其分布區域占采場頂板的35%；當采場跨度為35m時，采場頂板的最大拉應力區非常明顯，且其分布區域占采場頂板的90%以上，采場頂板的巖石將發生拉伸破壞，脫離頂板發生垮塌或冒頂，嚴重威脅采場安全。

圖3　采場頂板應力云圖

3.2位移分析

不同寬度的二步采場開挖過程中頂板的位移變化特征如圖4所示。由圖4可知：隨著二步采場寬度的逐漸增大，頂板最大位移量也逐漸增大，且頂板位移的變化率逐漸變大，當采場寬度由25m變為30m時，頂板位移量的增幅為1.95mm/m，當采場寬度由30m變為35m時，頂板位移量的增幅為3.03mm/m；當采場寬度為33～35m時，采場頂板的最大位移量達40mm。由國內外礦山開采的工程實際經驗可知[6]，當采場寬度較大，采場頂板的位移量接近或超過50mm時，其自身穩定性較差，因此，該寬度下的二步采場穩定性相對較差，威脅采場作業人員安全。

采場頂板位移云圖如圖5所示。由圖5可知：當采場跨度為25m時，采場頂板中部出現的最大位移量為19.8mm，其分布區域在采場頂板較小；當采場跨度為30m時，采場頂板出現明顯的最大位移量為29.56mm，其分布區域占采場頂板90%以上，沉降均勻；當采場跨度為35m時，采場頂板的最大位移量為44.7mm，其分布區域的寬度為采場寬度的1.5倍，采場頂板與圍巖均產生變形，巖石易脫離頂板發生垮塌或冒頂，對采場的安全生產造成威脅。在采場底部出現較明顯的底鼓，其位移量較小，對生產安全的影響較小。

圖4　采場頂板最大位移變化特征

4　結　論

(1)二步采場頂板的拉應力及其變化率呈逐漸增長的趨勢，當二步采場跨度為34～35m時，頂板最大拉應力達4.68～4.88MPa，超出了其極限抗拉強度，且其分布區域占采場頂板的90%以上，頂板易發生拉伸破壞導致采場安全性差。

(2)二步采場頂板的位移量及其變化率呈逐漸增長的趨勢，當二步采場跨度為33～35m時，頂板最大位移量達40mm，根據工程實際經驗判別采場頂板易出現局部冒落，自穩性較差。

(3)綜合考慮礦山采場生產能力和安全性要求，建議二步采場寬度為30m，在開采過程中對局部不穩定的部位需加強支護。

參考文獻

[1]古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[2]劉志義，侯金亮，趙國彥，等. 二步采場上盤圍巖穩定性分析及工程應用[J].金屬礦山，2015(11)：143-148.

圖5　采場頂板位移云圖

[3]張建勇，蘇建軍.石人溝鐵礦三期工程采礦方法選擇[J].金屬礦山，2013(1)：23-26.

[4]張海波，宋衛東.空場嗣后充填開采充填體與圍巖作用機理研究[J].化工礦物與加工，2014(1)：41-44.

[5]溫占國，張從軍，季志才.石人溝鐵礦三期開采方法的探討[J].現代礦業，2014(9)：30-33.

[6]劉志義，張麗春，趙國彥，等.基于FLAC3D的二步采場結構參數優化及工程應用[J].金屬礦山，2015(10)：6-10.

(收稿日期2016-05-23)

許長新(1970—)，男，工程師，064200 河北省遵化市。