貴州小壩磷礦采場跨度優選

羅云龍

(貴州省地礦局104地質大隊)

小壩磷礦礦區地貌類型屬構造剝蝕為主的低中山，地質構造復雜，但無巨大的構造破碎帶通過礦段。礦區以傾斜中厚礦體為主，礦體頂底板圍巖穩固性一般，局部較破碎。在前期生產中，由于礦體較破碎，采場穩定性不佳，造成大量的礦石損失，回收率僅約60%。為保障回釆安全，上中段與下中段之間預留了大量保安頂柱，造成了大量優質資源嚴重浪費。為此，采用無間柱連續分段充填法作為礦區主要的采礦方法[1-5]。本研究采用FLAC3D軟件，對該礦采場跨度進行優選，為實現礦山安全高效開采提供可靠依據。

1 數值模型構建

根據礦體特征構建的數值模型長200 m，100 m(圖1)。本研究數值模擬主要從礦體走向上進行采場跨度優化，當礦體傾角較緩時，采場跨度可取15～25 m，故選擇跨度分別為15，20，25 m 3種情況對礦體開采進行研究。選擇相鄰的3個連續采場作為1個模擬單元，開采順序均為由兩側向中間回采，即在采完兩側的采場并充填后再回采中間采場。模型邊界條件中地應力根據實際情況近似加載，即豎直方向應力由添加的1.3 MPa應力和自重應力組成，水平方向以側壓力系數為1.8添加水平構造應力，模型底部為固定邊界。模型物理力學參數見表1。本研究首先對某一跨度下的采場開挖過程進行分析，了解在開挖過程中采場周邊巖體的力學特征，然后對不同采場跨度的數值模擬結果進行對比分析，進而確定合理的采場跨度。

圖1 采場數值模型

表1 模型物理力學參數

2 數值模擬分析

2.1 采場開挖過程

當采場跨度為20 m時，分析圖2～圖4可知：

(1)在采場開挖后，采場頂板受拉明顯，頂板中部區域出現拉應力區域，但間隔采場之間的相互影響較小，說明由采場兩端向中部開挖對頂板穩定性較有利。采場開挖后，兩幫圍巖受壓明顯，尤其當兩側采場開挖后，中間未開挖的采場礦巖受到明顯的壓應力作用。充填采場后，頂板及兩幫受力條件均得到了改善，應力值有所減小。在頂板與兩幫的連接處，圍巖有明顯的剪應力集中現象，在采場拐角處也有明顯的壓應力集中現象。這2種應力集中現象均與理論分析和采場現場情況相符，故減小應力集中是改善采場安全性的重要途徑。

(2)采場形成后，頂板出現明顯的沉降現象，是由于采場開挖實質是1個卸荷過程，這一過程相當于去除了對頂板的支撐，頂板的受力情況由體模型向板模型發生轉變。充填可明顯改善頂板沉降現象，充填可視為開挖的一個逆過程，但在實際情況中，充填體難以提供給頂板足夠的支承力，故頂板已發生的位移沉降不會改變，充填僅能改善頂板的后續變形狀況。

(3)采場形成后，塑性區主要出現在采場各角落以及頂板處，隨著后續開挖的進行，采場兩幫和底板也出現了塑性區，充填后塑性區并未發生較明顯的變化。采場不同位置的主要破壞形式各不相同，各角落主要表現為剪切破壞，頂底板為拉伸破壞，兩幫巖體既有剪切破壞又有剪切拉伸復合破壞。

圖2 最大主應力變化云圖

圖3 豎向位移變化云圖

圖4 塑性區變化云圖

2.2 不同采場跨度對比分析

2.2.1 應力分析

分析圖5可知：隨著采場跨度的增大，采場頂板的受拉現象越明顯，15，20，25 m跨度對應的頂板最大拉應力分別為0.19，0.27，0.51 MPa，前兩者均小于頂板圍巖的抗拉強度，后者大于頂板圍巖的抗拉強度，表明采場跨度為25 m時，采場頂板極有可能發生拉伸破壞。

由圖6可知：采場跨度越大，采場角落的應力集中越明顯，15，20，25 m跨度對應的圍巖最大壓應力分別為6.4，6.7，7.2 MPa，三者均小于圍巖的抗壓強度，不足以造成采場圍巖發生屈服破壞。

2.2.2 位移分析

由圖7可知：采場跨度的越大，頂板沉降越明顯，底鼓也相應增加，但增幅較小。15，20，25 m跨度對應的頂板沉降值分別為3.04，3.96，5.68 cm。

圖5 最大主應力變化云圖

圖6 最小主應力變化云圖

圖7 豎向位移變化云圖

由于地應力較小，底板的底鼓現象不明顯，在實際工作中可忽略不計。

2.2.3 塑性區分析

分析圖8可知：隨著采場跨度增大，塑性區范圍也逐漸增大，采場跨度為25 m時，兩幫巖體中出現了大范圍的剪切破壞區域，此外，采場頂底板出現了受拉破壞，拐角處出現了剪切破壞。

圖8 塑性區變化云圖

3 結 論

(1)小壩磷礦采場頂底板易受拉伸破壞，拐角應力集中明顯，易發生剪切破壞，兩幫巖體主要表現為剪切與拉伸共同作用的復合破壞形式。

(2)充填有利于改善采場圍巖受力情況，也有助于減小采場的后續變形。

(3)綜合考慮采場應力、位移以及塑性區分布特征，并維持礦山較高的生產能力，最優的采場跨度應為20 m。