兩步回采大跨度采場穩(wěn)定性模擬分析及其控制

崔 松 于世波 黃 丹

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628）

磷礦資源在我國具有重要的經濟地位，地下磷礦資源大多采用空場法開采，由于磷礦層理發(fā)育及脆性較強，開采過程中必須預留較多礦柱形成支撐體系。從而導致磷礦資源的回收率較低，造成大量資源的浪費，同時，使礦山基建投入的回報率大幅降低。如果能夠大幅提高資源回收率，不僅能夠提高企業(yè)經濟效益，而且能夠延長礦山的開采年限。

為了提高礦體回收率并有效控制開采地壓，必須采用安全可靠、技術可行、經濟合理、操作性強的采礦方法。兩步大跨度采場采礦方法適用于磷礦資源的礦體條件，采場礦柱跨度是采場結構參數的關鍵指標，直接影響回采空區(qū)的安全性和生產作業(yè)技術經濟指標。高謙等［1］針對金川高應力巷道變形特征，提出了以錨索為支護手段的綜合控制技術，采用模擬和分析方法對相關參數進行優(yōu)化，效果較好。大跨度錨索支護在邢臺礦［2］、薛村礦［3］、謙比希銅礦［4］等進行了應用，均滿足了高效安全的支護要求。

本研究利用數值模擬的方法，分析某磷礦兩步大跨度采礦回采過程中的空區(qū)頂板的穩(wěn)固性，為此方法回采工藝的實施提供理論支持和技術指導［5-6］。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

某磷礦礦體最小厚度為3.0 m，最大厚度為5 m，平均厚度為3.2 m，傾角在18°～38°之間，平均傾角23°。礦石平均品位為24%。頂板為淺灰色厚層狀礫屑粉晶含磷白云巖，巖性變化不大。底板為淺灰色中厚層狀夾不規(guī)則硅質薄層及條帶的含磷白云巖，巖性穩(wěn)定。礦體巖組為Ⅲ級巖體，屬中等質量巖體，頂板及底板巖組為Ⅱ級巖體，巖體質量較好。

1.2 支護方案

某磷礦礦體已經進入開采階段，綜合考慮生產效率、安全等因素，礦房設計跨度為9 m，礦房之間留設條柱，寬5 m。直接頂板白云巖厚度為3 m左右，采用錨桿支護。由于錨桿長度較短，不能將灰?guī)r及白云巖整體錨固，頂板支護效果較差，局部頂板離層嚴重時，錨桿支護易產生負面影響，極易發(fā)生大面積整體垮塌的安全隱患。因此，建議采用長錨索+托盤的支護方式對頂板整體加固［7］。

礦房回采順序：9 m寬礦房分兩步回采，一步驟回采寬度4.5 m；回采完畢后，剩余4.5 m寬礦房由中間向兩端后退式回采。形成長200 m、寬9 m的大跨度空區(qū)。

對于目前采場跨度情況采用主動支護效果預計更好，主動支護主要以錨索支護為主，錨索長度必須深入到較為堅硬的頂板中，根據某磷礦礦區(qū)的工程地質條件、巖石力學實驗參數及頂板垮落帶計算，初定錨索長度為6 m，施工過程中可根據錨索孔施工的快慢判定鉆孔深部巖體的堅硬程度后決定錨索長度是否需要加長。

根據以上分析，初步確定某磷礦礦區(qū)條帶試驗采場的主要支護方式為錨索加大號托盤，根據頂板垮落帶理論，計算錨索的預應力應達到10 t（98 kN）左右的錨固力，能夠保證支護的最佳效果。采場頂板巖體與錨索支護關系見圖1所示。

2 大跨度采場穩(wěn)定性模擬分析

2.1 模型建立

為了真實反映和預測該磷礦采用兩步回采大跨度采場回采過程中的地壓演變特征和巖體穩(wěn)固性情況，綜合分析采礦過程中試驗采場寬度從4.5 m擴大到9 m時的頂板穩(wěn)定性，根據模擬結果確定兩步回采大跨度采場空區(qū)頂板的控制對策。根據采場巷道的地質條件及巖性特征，建立的模擬采場巷道回采順序及采場布置的三維數值模型如圖2所示。計算范圍長×寬×高=80 m×45 m×55 m，共劃分55 800個單元，58 972個節(jié)點。上部邊界為實際地表，該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，采用cable單元模擬端頭錨固預應力錨索單元，其中錨固段長度1.5 m，自由段長度4.5 m，施加初始預應力98 kN。假定材料破壞符合Mohr－Coulomb強度準則［8］。

2.2 物理力學參數及監(jiān)測布置

綜合各巖組物理力學試驗結果，綜合考慮現場實際，對試驗數據結果進行必要的折減。最終確定該主要工程巖體物理力學參數如表1所示。

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為了全面客觀真實地反映無支護和長錨索支護狀態(tài)下9 m跨度采場回采過程中的礦柱應力集中程度、頂板變形及錨索拉力動態(tài)變化等情況，根據需要針對性地布置了相應監(jiān)測點（監(jiān)測點布置在模型重點位置），其中錨索支護分別監(jiān)測自由段受力及錨固段單一單元段的受力。具體監(jiān)測點布置如圖3所示。

2.3 大跨度采場錨索支護前后應力變化分析

大跨度采場頂板的破壞與其本身的應力分布密切相關。通過圖4可以看出，隨著多采場回采的動態(tài)過程的模擬，圍巖的應力場處于不斷的變化過程中。采場外圍最大主應力區(qū)域主要隨著回采的進行向整個開采區(qū)域的外圍頂板及底板銳角區(qū)域分布；最小主應力值隨著回采的進行始終出現在采場巷道的表面，成為明顯潛在破壞區(qū)域。

在錨索支護狀態(tài)下的應力場方面，通過圖5可以看出，錨索支護對于控制圍巖周邊的應力狀態(tài)起到了一定作用。錨索支護頂板的最小主應力由0.18 MPa提高到1.08 MPa，最小主應力值大幅度提高，極大地改善了頂板的應力狀態(tài)，使莫爾圓得到了有效縮減，發(fā)生剪切及拉伸破壞的可能性得到大幅降低。

2.4 大跨度采場錨索支護前后變形變化分析

采用錨索支護條件下，根據圖6可以看出，隨著側向崩礦越過監(jiān)測點位置，應力集中出現明顯的急速下降區(qū)域，礦柱恢復到低應力狀態(tài)；隨著兩側采場的回采，礦柱再次出現應力集中狀態(tài)，但集中程序相對較低；在回采至監(jiān)測點之后，應力狀態(tài)再次出現降低特性，說明無錨索支護條件下，頂板安全性較差。

根據圖7、圖8可以看出，錨索支護頂板后，在不同的回采階段，錨索的錨固段和自由段受力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，但這種變化不是很明顯，主要原因是在對錨索施加預應力后，錨索立即對頂板起到了支護作用，頂板也在應力調整過程中始終在錨索支護作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形得到了有效控制，所以總體上看，錨索的受力受到不同開采階段的影響不是很明顯，說明錨索支護作用穩(wěn)定，頂板始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結論

本項目建立基于某磷礦兩步回采大跨度采場穩(wěn)定回采實際工程的地質力學模型，從應力變化、試驗盤區(qū)錨索支護變形采場破壞及支護體受力等方面，對試驗采場采用頂板錨索支護過程中的地壓演變特征及頂板穩(wěn)固性進行了施工過程力學分析，得出如下結論：

（1）無支護狀態(tài)。從變形上看，在兩側采場回采階段是對于采場變形影響最為明顯的階段；從應力上看，單側采場側向崩礦擴大到9 m時階段，是對采場支撐礦柱應力集中程度影響最大的階段；隨著回采進行，頂板出現明顯非對稱變形，變形量劇烈變大，同時，伴隨大量的拉伸破壞單元產生，直接影響到單個采場穩(wěn)定性，其失穩(wěn)有可能引起整個采場群的鏈式失穩(wěn)破壞。

（2）錨索支護狀態(tài)。單根錨索的控頂作用體現在支護前后的變形量減小50%左右，錨索支護的作用相當顯著；錨索支護后頂板的最小主應力值大幅度提高，極大地改善了頂板的應力狀態(tài)，頂板中處于剪切破壞和拉伸破壞的范圍和單元數量大幅度下降；錨索支護體受力穩(wěn)定，頂板始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）綜合以上模擬分析結果，采用已制定錨索支護對策對于不同回采階段的采場頂板控制作用效果明顯。為了更為科學地驗證錨索支護對策，建議通過現場頂板變形長期實測的方法，監(jiān)測不同回采階段的頂板變形狀態(tài)，通過長期監(jiān)測數據，更為充分地驗證錨索支護措施的必要性和科學性。