厚大破碎礦體采場(chǎng)礦巖冒落規(guī)律及影響因素研究

李曉斌 勒治華 樊 碩 李新成

（1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源的特點(diǎn)是規(guī)模較小、開(kāi)采成本較高、市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力弱。研究結(jié)果表明，大型金屬礦山采礦成本的30%～60%與巖體破碎有關(guān)。通過(guò)研究礦巖冒落的規(guī)律，調(diào)控采動(dòng)應(yīng)力誘導(dǎo)礦巖自然冒落，實(shí)現(xiàn)利用地壓破碎巖體，可大幅度節(jié)約采準(zhǔn)工程量與落礦費(fèi)用，由此大幅度降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率，從而為國(guó)內(nèi)金屬礦山高效開(kāi)采提供一條新的思路［1］。

近年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到構(gòu)造應(yīng)力對(duì)采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)起重要作用。王軍等［2］利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件、理論分析等方法對(duì)不同構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中采空區(qū)上覆巖層的破壞規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨側(cè)向應(yīng)力的增加，上覆巖層塑性區(qū)高度和體積先減小后增大；范廣勤等［3］研究了在地應(yīng)力較高的情況下礦巖冒落區(qū)域的軸比（或縱橫比）與原始巖體的應(yīng)力場(chǎng)的側(cè)壓力系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，拉底的大小、形狀和布置，以及切幫和預(yù)裂工程的存在，都直接影響巖體的崩落。徐臘明［4］利用三維有限元數(shù)值模擬程序ADINA模擬了程潮鐵礦拉底和割幫工藝作用下礦體的應(yīng)力分布，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選出合理的拉底方案。

影響礦巖可冒性的因素有很多，主要包括礦巖的強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)面特征、地應(yīng)力的相對(duì)大小、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本項(xiàng)目重點(diǎn)研究地應(yīng)力與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦巖冒落的影響。為實(shí)現(xiàn)借助拉底等工程因素誘導(dǎo)礦巖應(yīng)力發(fā)生改變，利用地壓破碎巖體的目的，就需要深入研究“破碎厚大礦體采場(chǎng)礦巖冒落規(guī)律”這一科學(xué)問(wèn)題，這對(duì)于合理確定誘導(dǎo)冒落工程，充分利用地壓，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率采礦，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

1 礦巖冒落數(shù)值模型

1.1 礦巖冒落的FLAC3D系統(tǒng)

FLAC3D是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的數(shù)值分析方法，雖然巖體中會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)，但巖體不會(huì)發(fā)生冒落，不能模擬冒落的整個(gè)過(guò)程。為了模擬礦巖的冒落過(guò)程，引入了人為的假定。在FLAC3D數(shù)值模型中，如果數(shù)值網(wǎng)格的單元位于拉底空間的上部塑性區(qū)中，且該單元中存在拉應(yīng)力，則認(rèn)為該單元在重力的作用下可以冒落，利用FLAC3D的建模命令，該單元被殺死（“NULL”掉），被NULL掉單元的模型又處于非平衡狀態(tài)，再次進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算平衡后如果塑性區(qū)內(nèi)依然有拉應(yīng)力單元，則重復(fù)該過(guò)程，直至模型中不再出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)、平衡為止，計(jì)算停止。以此來(lái)近似模擬礦巖冒落過(guò)程。在計(jì)算過(guò)程中很難做到塑性區(qū)內(nèi)完全不存在拉應(yīng)力，所以在塑性區(qū)內(nèi)基本無(wú)拉應(yīng)力即可將計(jì)算停止。具體計(jì)算步驟如圖1。

1.2 礦巖冒落本構(gòu)關(guān)系

研究表明，利用自然崩落法開(kāi)采礦石時(shí)，礦巖冒落以拉伸破壞為主，因此采用拉伸準(zhǔn)則描述冒落礦巖。實(shí)際上，利用自然崩落法開(kāi)采礦巖體質(zhì)量均稍差，在冒落過(guò)程中采場(chǎng)邊幫圍巖也會(huì)發(fā)生剪切破壞，但由于堆積在采場(chǎng)內(nèi)的冒落礦巖散體支撐作用，往往導(dǎo)致剪切片幫破壞并不明顯。但采用FLAC3D模擬時(shí)并不能考慮該作用，因此選用基于摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則的理想彈塑性模型描述采場(chǎng)圍巖，圍巖可以發(fā)生屈服，但并不降低承載力［7］。在兩個(gè)準(zhǔn)則中，拉伸準(zhǔn)則優(yōu)先。

實(shí)際上，到目前為止，還沒(méi)有一種數(shù)值模擬方法，可以完整地模擬礦巖冒落、堆積、并對(duì)采場(chǎng)邊幫起到支撐作用的全過(guò)程。本研究利用FLAC3D模擬礦巖冒落也是在一些假定條件下實(shí)現(xiàn)的。

（1）拉伸破壞準(zhǔn)則

式中，σ3、σt分別為巖體受到的拉應(yīng)力與巖體的單軸抗拉強(qiáng)度。

（2）摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs＞0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型與參數(shù)

由冒落拱理論可知，礦體埋藏深度、側(cè)應(yīng)力以及冒落拱跨度等因素是影響礦巖冒落高度的重要因素。基于上述FLAC3D的數(shù)值模擬方法和礦巖本構(gòu)關(guān)系，對(duì)不同埋藏深度、不同側(cè)壓力系數(shù)、拉底形態(tài)及采場(chǎng)尺寸參數(shù)條件下的礦巖冒落規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。各種工況條件的數(shù)值計(jì)算模型略有不同，現(xiàn)以礦體埋藏深度對(duì)礦巖冒落的影響為例，簡(jiǎn)要介紹其數(shù)值計(jì)算模型以及礦、巖參數(shù)。建立三維數(shù)值模型如圖2所示，數(shù)值模型長(zhǎng)300 m，寬150 m，高350 m。模型共分3個(gè)部分，分組1為圍巖部分、分組2為礦體部分，分組3為拉底部分。礦體部分長(zhǎng)100 m，寬50 m，高100 m。礦體部分的底部距離模型底部50 m，保證其不受邊界效應(yīng)的影響。巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

2 數(shù)值模擬方案及邊界條件設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬分析了礦體不同埋藏深度、不同側(cè)壓力系數(shù)、拉底形態(tài)及采場(chǎng)尺寸參數(shù)4種工況條件下礦巖冒落規(guī)律。各工況條件下的模擬方案、邊界條件和拉底尺寸等如表2。

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中礦巖冒落達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)判定：以礦體埋深700 m計(jì)算分析為例，如圖3所示，過(guò)拉底區(qū)域中心點(diǎn)，沿礦體長(zhǎng)度方向的截面，可以看出，在將塑性區(qū)開(kāi)挖3次之后形成的冒落拱，拱線的上方基本無(wú)拉應(yīng)力，可以判定冒落拱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其他工況條件下礦巖冒落是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)判定完全相同。

3 礦巖冒落規(guī)律分析

3.1 礦體埋藏深度對(duì)采場(chǎng)礦巖冒落的影響

各埋藏深度礦體拉底后礦體冒落部分如圖4所示，其中下部區(qū)域?yàn)槔撞糠郑喜繀^(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)部分。

圖5為礦巖冒落高度和冒落體積隨礦體埋藏深度變化曲線。可知，礦巖的冒落高度和冒落體積隨著埋藏深度的增加而減小，但減小幅度均較小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于厚大破碎礦體，小埋深反而有利于礦巖的冒落；礦體埋深較大時(shí)，可通過(guò)割幫等誘導(dǎo)工程使礦體水平應(yīng)力減小，促進(jìn)冒落拱的發(fā)育。同時(shí)礦體埋深較大時(shí)應(yīng)注意冒落過(guò)程的片幫現(xiàn)象，制定合理的拉底范圍，以免礦體開(kāi)采過(guò)程中上下盤圍巖的片幫，造成礦石貧化率增加。

3.2 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)采場(chǎng)礦巖冒落的影響

不同側(cè)壓力系數(shù)下的礦體冒落部分如圖6所示，圖中下部為拉底區(qū)域，上部為冒落部分。發(fā)現(xiàn)側(cè)壓力系數(shù)為0.4時(shí)冒落拱發(fā)育最好，礦體冒落高度與冒落體積在5個(gè)方案中最大。

礦體的冒落高度和冒落體積隨側(cè)壓力系數(shù)變化如圖7所示，礦巖的冒落高度和冒落體積的變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)從0.4增加到1時(shí)，礦體的冒落高度僅減小了15.7%，但是礦體的冒落體積卻減少了43%，表現(xiàn)出在這一過(guò)程中冒落拱的發(fā)育變差。側(cè)壓力系數(shù)超過(guò)1后，冒落高度保持穩(wěn)定，冒落體積出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如果礦體的側(cè)應(yīng)力較大，拉底完成后片幫問(wèn)題會(huì)較為嚴(yán)重，應(yīng)合理規(guī)劃拉底的范圍。因此，若使上賦礦巖冒落得更加充分，可以通過(guò)切幫等輔助工序來(lái)盡可能降低礦塊的側(cè)應(yīng)力，從而達(dá)到使冒落高度和冒落體積增加的目的。

3.3 拉底長(zhǎng)寬比對(duì)采場(chǎng)礦巖冒落的影響

圖8為不同拉底長(zhǎng)寬比條件下礦體冒落部分，下部為拉底區(qū)域，上部為上部塑性區(qū)。由塑性區(qū)分布圖可知，拉底形狀不同，各冒落拱的形狀差異較大，冒落高度隨著拉底長(zhǎng)寬比的增大而逐漸減小。

圖9為礦體冒落高度和冒落體積隨拉底長(zhǎng)寬比變化曲線，礦體的冒落高度和冒落體積隨拉底長(zhǎng)寬比增大均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。拉底形狀為正方形時(shí)（長(zhǎng)寬比為1），冒落高度和冒落體積達(dá)到最大，然而，在拉底長(zhǎng)寬比為2時(shí)，冒落體積有小幅度的增加。因此，在拉底設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮拉底形狀為正方形（長(zhǎng)寬比為1），在地質(zhì)條件或開(kāi)采條件的約束下，拉底的長(zhǎng)寬比最好不大于2。

3.4 采場(chǎng)尺寸參數(shù)對(duì)礦巖冒落的影響

如圖10所示，隨著拉底跨度的增加，采場(chǎng)冒落高度在前期增長(zhǎng)較快，拉底的跨度接近拉底寬度時(shí)，冒落高度的增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始減緩，隨著拉底跨度的持續(xù)增加，礦體的冒落高度保持穩(wěn)定。拉底跨度較小時(shí)，不同寬度的礦體冒落高度較為接近，隨著拉底跨度的增加，30 m寬度礦體的冒落高度增長(zhǎng)速度首先降低下來(lái)，50 m和70 m寬度的礦體的冒落高度增長(zhǎng)速率在拉底跨度不斷增加的過(guò)程中也相繼降低，最后都趨于穩(wěn)定。圖11為不同礦體寬度的礦巖冒落高度與采場(chǎng)拉底跨度比值（高跨比）隨拉底跨度變化曲線，從圖中可以看出，拉底跨度相同時(shí)，高跨比隨礦體寬度的增加而增加。相同寬度的采場(chǎng)，高跨比隨拉底跨度的增加而減小。

4 結(jié) 論

以FLAC3D數(shù)值模擬軟件為工具，研究礦體在不同地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的冒落規(guī)律，利用所得到的冒落規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）礦體在不同地質(zhì)賦存條件下呈現(xiàn)不同的冒落規(guī)律。拉底條件相同，埋藏深度增加礦巖冒落高度，冒落體積略有減小，但總體變化不大；冒落高度隨側(cè)壓力系數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后趨于平衡，冒落體積先減小后略有增加，側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1時(shí)，冒落高度和冒落體積最小。

（2）拉底面積相同，拉底長(zhǎng)寬比越大，礦體冒落高度和冒落體積越小。因此在設(shè)計(jì)拉底形狀時(shí)，礦體拉底的長(zhǎng)寬比應(yīng)最好小于2，保證拉底后有足夠的冒落高度和冒落體積，以減小冒落輔助工程的工作量。

（3）采場(chǎng)尺寸確定后，冒落高度隨拉底長(zhǎng)度的增加而增大，增長(zhǎng)速度隨拉底長(zhǎng)度的增加而逐漸減小，最后冒落高度趨于平衡。如果是厚大礦體，礦塊尺寸設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增大礦塊的寬度以增加冒落高度和冒落體積。