馬城鐵礦深部階段空場嗣后充填開采結構參數與開采順序優化

向 鵬 楊景華 趙繼忠 馬 旺

（1、北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083 2、城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京100083 3、首鋼灤南馬城礦業有限公司，河北 唐山063501）

1 概述

隨著淺部資源枯竭,鐵礦開采逐漸向深部轉移,深部礦體在高應力的情況下開采,采場面臨著高地壓問題,尤其是采用階段空場嗣后充填法開采,在空場大面積暴露條件下,采空區上覆壓力向礦柱及圍巖轉移,形成應力集中,其采場穩定性是深部開采需要解決的重要課題。合理的采場結構參數和開采順序對采場的穩定性和礦石回收率起著至關重要的作用。對于采場結構參數和開采順序,已有學者開展了相關研究[1-8]。馬城鐵礦礦體埋深超過1100m,賦存地質條件復雜,且主要采用階段空場嗣后充填開采,因此深部采場面臨的礦壓安全問題突出,急需對其采場結構參數和開采順序進行優化研究,防止大面積地壓活動出現,保證礦山安全生產。

2 礦山概況

2.1 礦體特征

馬城鐵礦礦脈延升整體呈北北西向,層狀產出,北西或南西傾向,傾角范圍39-56°,總體走向長6km。礦體呈層狀、似層狀、大透鏡體狀產出,全區劃分的15 個礦體中,規模最大的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號礦體,走向長:Ⅰ號1750m、Ⅱ號1210m、Ⅴ號2100m,平均厚度:Ⅰ號36.35m、Ⅱ號127.56m、Ⅴ號83.90m。

2.2 工程地質概況

馬城礦體頂底板圍巖為黑云變粒巖、角閃變粒巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、含石榴石黑云石英巖、含石榴石閃石巖、綠泥片巖、絹云石英片巖。由于區域混合巖化作用大多已形成混合巖、黑云(角閃)混合片麻巖、黑云(角閃)混合花崗巖類巖石,原巖大多呈殘留體出現。圍巖與礦體界線大體清楚,少部分呈漸變過渡。

2.3 采礦方法

初步設計確定開采范圍為-240m～-900m, 并劃分為2 個采區, 其中-240m～-540m 為上部采區,-540m～-900m 為下部采區,上、下采區同時開采,采礦階段高度設計為60m。

開采順序: 兩階段上向同時開采, 即上部采區首采-540m～-480m 階段, 同時下部采區首采-900m～-840m 階段,順序均為自下而上進行開采。

采礦方法:階段鑿巖階段空場嗣后充填法、分段鑿巖階段空場嗣后充填法和上向(點柱式)分層充填法,全尾砂充填。

3 結構參數與開采順序優化

3.1 數值模擬方案

采場結構參數和回采順序對采場穩定性有重要影響, 選取合適的采場結構參數和開采順序是采場穩定和高效安全開采的關鍵。馬城鐵礦III 號礦體-900m 中段選用階段空場嗣后充填采礦法,礦塊垂直礦體走向布置,礦塊階段高度60m,一步采和二步采礦塊尺寸不變,礦塊長度43m,影響采場穩定性的主要因素為礦塊寬度。根據類似礦井開采經驗,礦塊回采順序多為“隔一采一”和“隔二采一”,結合Mathews 穩定圖法分析結果礦塊寬度分別取15m、18m、21m、24m,按著不同的礦塊寬度和開采順序,組合成8 種方案分析,見表1。階段嗣后充填開采時,充填材料被注入礦房后,凝結成有一定強度的充填體需一段時間,其早期強度一般不高,此時采場頂板主要由礦柱支撐。因此通過分析不同寬度礦房分別采用“隔一采一”和“隔二采一”采完后不充填所引起圍巖及礦柱的應力和位移變化, 系統評價礦房開采對采場穩定性的影響,

表1 開采組合方案

3.2 數值計算模型

采用FLAC3D 數值分析軟件, 數值模型以X 軸為水平方向,Y 軸為礦體的走向,Z 軸為礦體的標高,以X、Y、Z 三軸邊界均大于采場3～5 倍為原則,模型網格、礦塊劃分如圖1 所示。

圖1 計算模型及礦體劃分

計算采用理想彈塑性模型, 巖體破壞準則為莫爾- 庫侖屈服準則。模型邊界條件為上表面自由邊界,底部固定水平和垂直位移,兩側固定水平位移。模型的初始應力場按q=∑λgh 計算,水平應力根據側壓系數k 計算,側壓系數k 的計算公式如下:

式中,μ—泊松比。

3.3 巖體力學參數

根據該鐵礦的工程地質特征,結合現場工程地質調查、室內巖石力學試驗和巖體質量評價綜合選取了巖體物理力學參數,如表2 所示:

表2 巖體物理力學性質表

3.4 模擬結果分析

計算結果如表3 所示,當礦房“隔一采一”開采時,隨著采場跨度增加,礦柱中最大應力不斷增大,頂底板位移也逐漸增大,頂底板中最大拉應力先增加后保持不變, 且最大拉應力分布范圍隨著跨度增大不斷增加, 說明頂底板拉伸破壞范圍隨著跨度增加不斷變大。當礦房隔二采一開采時,最大應力和礦房頂板最大豎直位移都是隨著礦房寬度的增加而增大, 頂底板最大拉應力先增大達到巖體抗拉極限后保持不變。相比“隔一采一”,采用“隔二采一”相當于增加了礦柱的寬度,礦柱寬高比隨之增大,礦柱內的應力集中現象減小, 穩定性增強。綜上分析可知,15m 和18m 的礦柱寬度要優于21m、24m,但15m 礦房寬度尺寸小,對采場后期的穩定不利且影響開采效率, 因此采場合理的礦房寬度選為18m,圍巖質量較差區域可優先采用“隔二采一”方式開采；當圍巖質量較好時,可采用“隔一采一”順序開采。

表3 不同方案產生的擾動值

4 深部開采采場穩定性分析

根據上述優化分析結果, 對深部采場穩定性進行模擬分析,采場結構采幅寬度為18.0m,長約43m,采用“隔一采一”的回采順序。模擬結果如下:

由圖2 可知一步驟礦房開采后,壓應力在礦柱的兩個外側壁集中分布,尤其在4 個角隅處,壓應力達到45.1MPa,礦柱頂部、底部壓應力大,中部相對較?。灰徊襟E礦房膠結體充填后,礦柱所受最大壓應力明顯降低。二步驟礦柱開采后,采場壓應力向兩側圍巖和充填柱轉移,采場右上角和左下角圍巖應力集中增大,最大壓應力達到52.5MPa；二步驟礦柱尾砂充填后,采場最大主應力變為52.9MPa,變化不大。

圖3 顯示一步驟礦房開采后,在頂底板表層產生了一定的剪切和拉伸破壞,礦房充填后,頂底板破壞有所減小,礦柱基本不發生破壞；礦柱開采后,頂底板破壞范圍進一步擴大,以淺表拉破壞為主,主要是由于失去礦柱的支撐,頂底板大面積懸空,在中部產生拉應力引起。礦柱充填完畢后,破壞范圍有所減小。綜上分析,在深部礦體開采時,采場頂板以局部拉伸破壞為主,整體穩定。

圖2 最大主應力演化

圖3 塑性區演化

5 結論

通過對馬城鐵礦深部開采采場結構參數和開采順序模擬分析,得到以下結論:

5.1 隨著采場跨度增大,礦柱最大應力和頂底板位移也逐漸增大,頂底板最大拉應力先增加后保持不變,明頂底板拉伸破壞范圍隨著跨度增加不斷變大。

5.2 考慮開采效率綜合選取采場的礦房寬度為18m,圍巖質量較弱區域可優先采用“隔二采一”方式開采；當圍巖質量較好時,可采用“隔一采一”順序開采。