基于FLAC3D的某煤硫共生礦床開采礦柱穩定性分析*

2019-03-21 10:10:08郭軍業張明清蔣文強詹子強

采礦技術 2019年1期

郭軍業，張明清，2，3,李東，蔣文強，詹子強

(1.貴州大學礦業學院, 貴州貴陽 550025； 2.貴州非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州貴陽 550025; 3.喀斯特地區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州貴陽 550055)

0 引言

云貴地區賦存大量礦產資源，其中存在相當數量的煤硫共生礦產資源。隨著資源的日益枯竭，過去對共生礦產只開采主要礦產的方案已不可取，為有效提高資源回采率，應對共生礦產進行綜合開采[1]。對于共生礦產間距為零的礦床，綜合開采時會形成一個礦柱上下2種礦物或者3種礦物分層共存的復合型礦柱。然而目前對分層共存的復合型礦柱的穩定性分析還較少，如何確定此類礦柱穩定性問題是目前研究的難點。國內諸多學者針對不同礦柱穩定性進行了大量的研究。張紹周等[2-3]經過認真對比分析，得出礦柱本身物理力學參數造成了柱體的損壞，而不是由外因造成。張欽禮等[4]對采場的安全性進行各因素對比分析，結果顯示礦柱剛度比的大小及在高應力條件下軟化的特性是造成采場失穩的最主要因素。陳寅聰[5]對比分析了可靠度及強度折減法的計算結果，確定了礦柱穩定性的可靠度。郭建軍等[6]通過計算礦柱失穩抗阻因子系數及礦柱破壞發展因子系數，從而對礦柱穩定情況進行了分析。

1 工程背景

大林硫鐵礦礦區內主要礦產為硫鐵礦及煤礦，其中硫鐵礦直接頂為平均厚度為0.5 m的煤層。根據勘查揭露的礦體厚度為0.73～5.60 m，平均厚度2.5 m。礦體傾角為12°～28°，一般為20°。根據硫鐵礦實際地質條件，設計采用房柱法開采。對房柱式開采，采場穩定性主要取決于礦柱穩定性[7]。采空區頂板由空區殘柱支撐, 導致礦柱應力集中[8-9]。大林硫鐵礦為煤硫共生礦床，為了提高資源有效回采率和減少硫鐵礦礦石貧化及避免開采后煤層垮落產生瓦斯等有毒有害氣體影響礦井安全，制定了下行式開采方案，即先剝離煤層再采硫鐵礦的開采方案。綜合開采后形成煤硫分層共存的復合型礦柱，其煤層是松軟煤層，所以上部煤層穩定性對復合型礦柱穩定性起到重要作用。如果上部煤層發生破壞坍塌，礦柱穩定性發生破壞性改變，將導致整個采場發生坍塌。為保證礦山在安全條件下高效率生產，以大林硫鐵礦為背景，通過數值模擬分析計算，對大林硫鐵礦的開采方案進行合理選擇。

2 開挖模擬分析

2.1 硫鐵礦開采方案

根據礦體的賦存特征和開采工藝條件，對區間內主要礦體采用房柱法，區間內小礦體采用全面空場法，2種方法比例為85%，15%。為了有效回采礦區內的礦產資源，對大林硫鐵礦礦區內賦存的煤及硫鐵礦進行綜合性開采。由于硫鐵礦和煤為間距為零的共生型礦床，硫鐵礦直接頂即為較松軟的煤層，因此采用下行式開采方案，即先用刨煤機按硫鐵礦的爆破間距先行剝離煤層再用爆破法采硫鐵礦的開采方案。最終形成上部為煤層，下部為硫鐵礦的復合型礦柱支撐空區頂板(見圖1)。

圖1 設計開采方案及礦柱

2.2 計算模型

根據礦山地質地形圖、鉆孔柱狀圖、鉆井柱狀圖等，建立FLAC3D礦體模型。按礦體賦存性狀，選取礦體走向方向為X軸方向，傾向方向為Y軸方向，垂高方向為Z軸方向。煤層及硫鐵礦工作面走向長度60 m，傾向長度60 m，傾角按20°建立。模型長為100 m，寬為100 m，高為70 m，礦體賦存情況見圖2。模型上表面由垂直應力[10]σ=λH(λ為模型上部巖層平均體重，H為模型上部邊界與地表的平均間距)施加約束為6.24 MPa，下表面施加垂直位移約束，其余4個面施加與面垂直的約束，無反射邊界，用泊松比施加水平地應力。

圖2 礦體賦存性狀

2.3 參數及模擬

(1) 根據現場勘查情況可得各巖層物理力學參數，由于部分相鄰巖層參數接近，所以本實驗取參數接近的巖層參數，具體參數詳見表1。

(2) 采用六面塊體網格劃分模擬區域，為保證模擬研究的準確性，對網格進行不同密集化的劃分，即將要開挖及計算的區域網格進行密集化。考慮到模型的邊界效應，在模型開挖區域四周各留20 m邊界。根據設計要求，開采礦段按設計的爆破進尺2 m開挖。根據礦柱穩定性的影響程度[11]排序，礦柱寬度對其影響最大，埋深次之，最后是影響程度相當的礦房跨度和柱高。根據大林硫鐵礦的實際賦存情況及開采設計方案可知，首采面埋深、柱高都相同，所以本次實驗主要考慮柱寬對礦柱穩定性的影響，從而驗證礦柱尺寸長×寬×高分別為4 m×3 m×3 m、4 m×4 m×3 m、4 m×5 m×3 m、4 m×6 m×3 m等4種開采方案的最優方案。

表1 各巖層物理力學參數

2.4 礦柱安全系數分析

礦柱的穩定性通常用礦柱的安全系數來確定，通常以礦柱平均應力或者礦柱最大垂直應力為參考計算，但這2種方法都忽略了礦柱本身應力分布的不均勻性。本文的煤硫分層復合型礦柱因礦柱成分復雜，上下兩層礦體物理力學參數差別較大，用傳統的算法難以準確反映出礦柱的穩定性，應從礦柱各部分綜合考慮，最后來判定礦柱是否穩定。本文擬采用點安全系數[12]來判別礦柱是否發生破壞。礦柱點安全系數Fs的算法為：

(1)

根據FLAC3D模擬得出傾向方向兩礦柱內的各點應力值，見圖3及圖4。由各點應力值利用式(1)可得出4種方案礦柱各點的安全系數，見表2。

由表2可知，在4種開采方案中，隨著礦柱寬度增加，點安全系數隨之增加，但煤層的點安全系數相較硫鐵礦而言較小，并且在方案一中復合型礦柱上部煤層的點安全系數Fs≮1，說明該點發生破壞，對礦柱整體穩定性造成了破壞。由此可以看出煤硫共存的復合型礦柱中，上部松軟煤層的穩定性對礦柱的穩定性影響較大。

由強度折減法[13]確定礦柱安全系數k、礦柱臨界寬度We與礦柱安全寬度Ws的關系為：

Ws=kWe

(2)

圖3 開挖后4種方案最大主應力云圖

圖4 開挖后4種方案最小主應力云圖

開采方案點安全系數礦柱上部煤層礦柱下部硫鐵礦方案一0.951.42方案二1.241.69方案三1.421.81方案四1.652.03

式中，取礦柱的安全系數k=1.2，則此時礦柱的臨界寬度，即礦柱安全寬度Ws=1.2×4=4.8 m。則選擇礦柱寬度為5 m的開采方案三。

2.5 位移分析

由圖5及圖6分析可知，采場頂板最大位移量位于采場最大控頂距中心，從圖中可以看出，隨著礦柱寬度的增加，礦房頂板最大位移量逐漸較小。當礦柱寬度達到5 m時，礦房頂板位移量在4～5 cm之間，與6 m時幾乎重疊，頂板最大位移減少量趨于平緩。即在一定范圍內，隨著礦柱寬度的增加可以有效減小頂板的下沉，但寬度達到一定值后，這一變化會趨于零。為減小頂板下沉量從而減小地面沉陷，選擇開采設計方案為方案三。