基于3D-σ軟件的大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體穩(wěn)定性研究

邢志華 沙 斌 尚曉光 侯克鵬 王悅青

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院)

隨著開采深度的增加，深部礦產(chǎn)資源開發(fā)所面臨的由巖體開挖誘發(fā)的重大地質(zhì)災(zāi)害問題越發(fā)突出[1-2]。自1738年英國的南斯塔福煤礦發(fā)生第一次巖爆事故以來，在南非、波蘭、加拿大、美國、瑞典及挪威等數(shù)十個國家和地區(qū)的礦井相繼發(fā)生了巖爆災(zāi)害[3-7]。國內(nèi)撫順紅透山銅礦、冬瓜山銅礦、凡口鉛鋅礦以及大同煤礦等二十多座礦井也相繼發(fā)生過巖爆災(zāi)害[8]。可見，地壓活動是制約地下工程特別是深部安全開采的重要因素[9]。3D-σ是目前巖土工程界應(yīng)用較廣泛的一款數(shù)值模擬軟件[10]，具有計算精度高、對結(jié)構(gòu)形狀和荷載形式有良好的適應(yīng)性等優(yōu)點[11-15]。本研究基于3D-σ軟件，對大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，就地壓活動區(qū)的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等狀況進行分析研究，并對主礦體在不同開采階段對Ⅲ#、Ⅳ#礦體開采的影響程度進行探討。

1 礦山概況

大紅山鐵礦礦床規(guī)模巨大，可分為淺部鐵礦、深部鐵礦、曼崗河北岸鐵礦、哈姆白祖鐵礦和Ⅰ#鐵銅礦帶5個地段。Ⅲ#、Ⅳ#礦體在深部主采區(qū)400萬t/a工程的基礎(chǔ)上，采用平巷開拓方式，利用南北采區(qū)斜坡道連接各回采分段。由上至下設(shè)置了480，460，440，420，400，380 m 6個主分段以及430，410，390，370 m 4個副分段。總體開采順序是北部由下往上、中南部由上往下。采礦方法為空場嗣后充填法，北部采用小分段空場嗣后廢石加尾砂充填法進行開采，礦塊沿走向布置，礦塊長50 m，礦房長42 m，隔離礦柱礦體視厚度取8 m，分段高度10 m。礦房回采完畢后，應(yīng)及時封閉出礦進路，并將掘進廢石用20 t礦用卡車運輸至上盤充填頂，經(jīng)充填小井最大限度地充填采空區(qū)，而后進行全尾砂充填采空區(qū)。北盤區(qū)由370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4，380 m NH1、NH2、NH3盤區(qū)組成，現(xiàn)階段，370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4盤區(qū)已開采完畢，其中370 m N2、N3，380m N4盤區(qū)已采用尾砂充填，380 m N2、N3盤區(qū)未充填。

2 模型構(gòu)建

大紅山鐵礦礦體分布較廣，為滿足計算需要和保證計算精度，本研究采用的模型大致與整個礦區(qū)的實際形態(tài)相同。根據(jù)Ⅲ#、Ⅳ#礦體的實際形態(tài)以及與主礦體的關(guān)系，結(jié)合力學(xué)相關(guān)理論，構(gòu)建的三維有限元模型規(guī)格為3 000 m×1 500 m×1 300 m(長×寬×高)，即沿礦體走向方向取3 000 m (X方向)，垂直于礦體走向方向取1 500 m(Z方向)，鉛垂方向取1 300 m(Y方向)。模型共有326 570多個節(jié)點，75 940個20節(jié)點三維等參元單元(圖1)。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

模型計算域邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在距離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處的位移視為0。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點采用X、Y、Z3個方向約束，XY平面采用Z方向約束，YZ平面采用X方向約束。在巖體破壞分析中，本研究采用摩爾-庫侖塑性破壞準則。模型礦巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型礦巖體力學(xué)參數(shù)

由于本研究模擬分析之前，現(xiàn)場主礦體以及Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤區(qū)部分地段已開采完畢，并對部分盤區(qū)采用了尾砂充填，因此本研究模擬采用與現(xiàn)場施工完全一致的開采方法，即第1步對原始模型進行模擬分析，形成初始應(yīng)力場；第2步按照礦山現(xiàn)狀對主礦體400 m水平以上礦體以及北盤區(qū)已采盤區(qū)進行回采；第3步對經(jīng)過廢石充填的盤區(qū)進行尾砂充填，在此基礎(chǔ)上，對北盤區(qū)礦體的穩(wěn)定性進行分析；第4步對主礦體的不同開采階段對Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響程度進行討論。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 原始模型分析

當(dāng)對模型不進行任何開挖、充填時，礦體中僅有自重應(yīng)力場作用，最大主應(yīng)力從模型頂部向下依次增大，最大主應(yīng)力線呈水平狀態(tài)，但在礦體所在位置，由于礦巖參數(shù)不同，在該處產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為-29.685 MPa(圖2)，模型中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。整個模型位移由上至下依次減小，最大位移從模型上部的582 mm減小為模型底部的61 mm(圖3)。整個模型的安全率大于9.956(圖4)，模型中無塑性區(qū)出現(xiàn)。

圖2 原始模型最大主應(yīng)力等值線

圖3 原始模型垂直位移等值線

圖4 原始模型安全率等值線

3.2 Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤區(qū)穩(wěn)定性分析

結(jié)合礦山北盤區(qū)開采的實際情況，由于開采步驟較多，在此僅對北盤區(qū)開采、充填后的最終結(jié)果進行模擬分析。該步驟與現(xiàn)場一致，對370N2、370N3及380N4盤區(qū)進行了充填，如圖5所示。

圖5 Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤區(qū)開采模型

3.2.1 應(yīng)力分布

分析圖6、圖7可知：北盤區(qū)礦體完全開采后，礦巖體受采動影響，在開挖體周圍引起了應(yīng)力重新分布，盤區(qū)開采后頂板及礦柱的最大壓應(yīng)力分別為21.752 MPa和23.552 MPa，小于經(jīng)工程處理后礦體及變鈉質(zhì)熔巖的抗壓強度(41.8 MPa和41.5 MPa)，礦體開采后頂板無拉應(yīng)力出現(xiàn)，此時采區(qū)頂板及礦柱穩(wěn)定性較好。

圖6 北盤區(qū)開采后盤區(qū)頂板最大主應(yīng)力分布

圖7 北盤區(qū)開采后礦柱及充填體最大主應(yīng)力分布

3.2.2 位移分布

分析圖8、圖9可知：整個北盤區(qū)開采后頂板最大位移主要出現(xiàn)在盤區(qū)開采后頂板的中間部位，位移指向采空區(qū)，最大位移量為27 mm，礦柱的壓縮位移也為27 mm，整體位移相對較小，從位移分布來看，北盤區(qū)開采后盤區(qū)頂板及礦柱穩(wěn)定性較好。

圖8 北盤區(qū)開采后頂板垂直位移分布

圖9 北盤區(qū)開采后礦柱和充填體垂直位移分布

3.2.3 安全率分布

安全率是指由摩爾-庫侖強度準則所決定的極限應(yīng)力狀態(tài)與實際應(yīng)力狀態(tài)的比值，安全率為1時處于臨界狀態(tài)，且安全率越大，安全性越好(地下礦山安全率大于1.15時認為是偏于安全的)。北盤區(qū)開采后頂板及礦柱的安全率最小值分別為1.208、1.195(圖10、圖11)，整體安全率遠大于1。由此可見，北盤區(qū)開采后礦柱及頂板整體穩(wěn)定性較好。

圖10 北盤區(qū)開采后頂板安全率分布

圖11 北盤區(qū)開采后礦柱安全率分布

3.2.4 塑性區(qū)分布

由頂板及礦柱塑性區(qū)分布(圖12、圖13中深色區(qū)域)來看，采區(qū)頂板及礦柱存在零星的塑性區(qū)，且未出現(xiàn)連片現(xiàn)象，說明頂板及礦柱局部受到破壞，但不影響整體穩(wěn)定。

圖12 北盤區(qū)開采后頂板塑性區(qū)分布

圖13 北盤區(qū)開采后礦柱和充填體塑性區(qū)分布

通過對應(yīng)力、位移、安全率和塑性區(qū)分布的綜合分析，北盤區(qū)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上將剩余盤區(qū)開采后，頂板及礦柱整體穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)大的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，僅在局部存在塑性區(qū)，說明頂板及礦柱會出現(xiàn)局部破壞，但不影響整體穩(wěn)定。

3.3 主礦體的不同開采階段對Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響

大紅山鐵礦主礦體位于Ⅲ#、Ⅳ#礦體東部，采用不留礦柱的無底柱分段崩落法進行開采，現(xiàn)階段已開采至400 m水平，下一步將開采370，340 m中段，考慮到對露天開采的影響，大紅山鐵礦根據(jù)巖石移動角，在主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間留了約200 m厚的保安礦柱。本研究對主礦體的不同開采階段對Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響程度進行分析。

3.3.1 主礦體開采至400 m水平

由主礦體開采至400 m水平的數(shù)值模擬結(jié)果(圖14)可知：由于400 m水平主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體距離較遠，2個區(qū)域的主應(yīng)力、位移等值線均單獨存在，沒有連在一起；雖然安全率等值線連在一起，但安全率都在4.914以上，說明該階段主礦體開采與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間幾乎不存在相互影響。

圖14 主礦體開采至400 m水平時的數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.2 主礦體開采至370 m水平(留保安礦柱)

分析圖15可知：主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體東盤區(qū)的距離約為200 m，距離較遠，主應(yīng)力、位移等值線彼此不相連；安全率等值線雖然連在一起，但安全率都在4.909以上，說明該階段在留設(shè)保安礦柱的前提下，主礦體開采與Ⅲ#、Ⅳ#礦體之間幾乎沒有影響。

圖15 主礦體開采至370 m水平時的數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.3 主礦體開采至340 m水平(留設(shè)保安礦柱)

分析圖16可知：由于有保安礦柱的存在，主礦體與Ⅲ#、Ⅳ#礦體東盤區(qū)的距離沒有明顯變化，主應(yīng)力、位移等值線彼此不相連；雖然等值線連在一起，但最小安全率值(0.965)范圍較小，僅在主采區(qū)周圍小范圍存在，往Ⅲ#、Ⅳ#礦體方向的安全率由2.896逐漸增大，表明該階段在留設(shè)保安礦柱的前提下，主礦體開采至340 m水平時，對Ⅲ#、Ⅳ#礦體的影響較小。

圖16 主礦體開采至370 m水平時的數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 語

采用3D-σ軟件對大紅山鐵礦Ⅲ#、Ⅳ#礦體的開采過程進行了數(shù)值模擬分析，認為現(xiàn)階段Ⅲ#、Ⅳ#礦體北盤區(qū)頂板及礦柱整體穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)大的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，盡管頂板及礦柱會出現(xiàn)局部破壞，但不影響整體穩(wěn)定，與礦山實際情況較吻合；在380 mN2、N3、N4盤區(qū)充填的基礎(chǔ)上，開采380 m NH1、NH2、NH3盤區(qū)的地壓活動強度小于不充填時的地壓活動強度；在預(yù)留保安礦柱的前提下，主礦體開采至 340 m 水平時不會對Ⅲ#、Ⅳ#礦體采區(qū)造成影響；由于礦體埋深較大(距地表約為1 000 m)，采區(qū)范圍大，且盤區(qū)暴露面積較大，建議在開采過程中對盤區(qū)頂板及礦柱進行地壓監(jiān)測，進一步分析頂板及礦柱的受力情況，為礦體開采提供可靠依據(jù)。