某礦山急傾斜中厚礦體回采方案數(shù)值模擬研究

王永高，王建貴，楊八九

(1.云南錫業(yè)股份有限公司， 云南 個舊市 661000；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司， 云南 昆明 650093)

礦產(chǎn)資源能否安全高效回采是礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的關鍵環(huán)節(jié)，在回采過程中會受到礦山開采的技術條件、礦體賦存條件、回采工藝等諸多因素的影響[1-2]。在開采過程中，不同賦存條件下礦體的采場結構參數(shù)及回采順序都是不一樣的。因此在礦體開采之前，有必要對這一系列問題進行分析研究。本文采用數(shù)值模擬方法，研究不同賦存條件下采場結構參數(shù)、礦柱合理尺寸及合理的回采順序?qū)Σ蓤鰢鷰r應力變化的影響[3]。

1 礦體概況

筆架山鐵礦是祿勸云川礦產(chǎn)開發(fā)有限公司下屬礦山，位于金沙江畔，江面標高為950 m。目前主要采用露天開采方式對1號礦體950 m以上進行開采，后期將采用地下開采方式對2，3，8號礦體及1號礦體950 m以下部分進行開采。整體開采順序從上至下。8號礦體賦存標高最低為650 m，位于金沙江江面之下300 m。

筆架山鐵礦背斜北翼的2，3，8號礦體走向為N52°～79°E，傾向SE，傾角80°。南翼的1號礦體走向為 N70°W，傾向 NE，傾角 79°，主要采用分段鑿巖階段垂直走向出礦空場法開采。采場沿礦體走向連續(xù)布置，長度為 42 m，寬度為礦體水平厚度，高度為階段高度50 m。上下采場之間由頂?shù)字喔簦字? m，頂柱高4 m，相鄰采場之間由間柱相隔，間柱的水平厚度為6 m，一系列采礦作業(yè)均在頂?shù)字烷g柱所劃定的礦房內(nèi)進行。重點研究開采過程中采場結構參數(shù)的確定及開采過程對山體及金沙江的影響，研究區(qū)域為 1，2，3，8號礦體所在的區(qū)域。

2 數(shù)值模擬

2.1 巖體力學參數(shù)

在現(xiàn)場巖體結構面調(diào)查、室內(nèi)巖石力學試驗的基礎上，采用普氏、RMR、Q系統(tǒng)3種巖體質(zhì)量分級方法，對筆架山鐵礦各礦巖體質(zhì)量進行了分級，認為筆架山鐵礦礦體和圍巖均屬于堅固～極堅固類型巖體。

有限元數(shù)值模擬所采用的礦巖體宏觀巖體力學參數(shù)，是通過室內(nèi)巖石力學試驗得到各巖塊力學參數(shù)，采用 Hoek-Brown強度準則折減而確定[4]，計算采用的各巖性宏觀巖體力學參數(shù)見表1。

2.2 計算模型的建立

根據(jù)彈塑性力學理論可知，在承受均勻載荷的無限大彈性體中開挖圓孔后，孔邊的應力狀況將發(fā)生顯著變化：在3倍孔徑的區(qū)域處，應力比開孔前的應力增大11%；在5倍孔徑的區(qū)域處，應力的相對差值已小于 5%，這樣的應力變化在工程上可以忽略不計。因此，在有限元的計算中可以把 3～5倍孔徑的區(qū)域作為計算域。根據(jù)筆架山鐵礦礦體的實際賦存條件及周邊金沙江所處位置，建立三維有限元模型。模型長×寬×高為750 m×1000 m×550 m，即沿礦體走向取750 m（模型中Z方向），垂直礦體走向取1000 m（X方向），沿垂直方向取550 m（Y方向）。礦體模型見圖1。

表1 礦巖體宏觀巖體力學參數(shù)

圖1 筆架山鐵礦1，2，3，8號礦體位置

2.3 力學模型

筆架山鐵礦前期未進行過原巖應力實測。結合國內(nèi)外工程實測經(jīng)驗，由于筆架山鐵礦礦體出露地表，埋深較淺，在淺部一般水平應力較小[5]。本次計算中，以垂直應力大于水平應力（λ=0.37）為基本計算方案。

在巖體破壞模型分析中，采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準則。力學模型為：

或

式中，σ1，σ3分別是最大主應力和最小主應力；c，φ為巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；F為破壞判定系數(shù)。當F≥0時，巖體將發(fā)生剪切破壞。另外，巖體在拉應力作用下，采用抗拉強度破壞準則。其力學模型為：

式中，σt為巖體所受拉應力；Rt為巖體抗拉強度。

如果拉應力超過巖體抗拉強度(F≥0)，巖體將發(fā)生抗拉破壞。

2.4 計算方案

在分析過程中，首先對構建的模擬施加自重力及構造應力，初始應力平衡后，第2步對950 m以上的江面以上礦體進行回采；第3步回采950 m～895 m中段礦體；第4步回采895 m～845 m中段礦體；第5步回采845 m～795 m中段礦體；第6步回采795 m～745 m中段礦體；第7步回采745 m以下礦體。

由于受計算量及模型自身的影響，在考慮頂?shù)字暮侠沓叽鐣r沒有同時考慮間柱尺寸，間柱尺寸按設計的6 m進行模擬，本次頂?shù)字叽绻材M以下3種方案：

方案一：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸4 m；

方案二：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸6 m；

方案三：間柱尺寸6 m，頂柱尺寸10 m。

3 計算結果及分析

3.1 礦體回采至950 m中段時山體穩(wěn)定性分析

由于江面以上的采空區(qū)比較復雜，本次模擬按最壞情況考慮，即將950 m（江面以上）礦體一次開挖，不留礦柱，模擬結果見圖2～圖5。從圖2～圖5可以看出，礦體開采至950水平后，礦巖體受采動影響，在開挖體周圍引起新的應力、位移重新分布，但應力均為壓應力（見圖2），位移值較小，最大僅為17 mm，山體及金沙江位置整體安全率大于 2.3，而安全率是指由摩爾——庫侖強度準則所決定的極限應力狀態(tài)與實際應力狀態(tài)的比值。安全率為1時處于臨界狀態(tài)，安全率越大，安全性越好。開挖后也僅在老馬田1號礦體及2，3，8號礦體周邊出現(xiàn)較少的塑性區(qū)（圖5中紅色區(qū)域），說明950 m中段以上的礦體開采后對山體及金沙江影響較小，開采后整體偏于安全，這與現(xiàn)場情況比較吻合，也為后期開采提供了依據(jù)。

圖2 礦體回采至950中段主應力分布

圖3 礦體回采至950中段垂直位移分布

圖4 礦體回采至950中段安全率分布

3.2 間柱、頂柱穩(wěn)定性分析

該3種模擬方案是在前述第2步模擬基礎上進行，在進行不同中段采場開挖時，均考慮間柱和頂?shù)字踩Ｓ捎谌S有限元給出了大量模擬結果信息，圖幅和數(shù)據(jù)很多，而方案一至方案三開挖順序和采場大小都一致，不同之處只是頂?shù)字叽绮煌Ｋ员疚膬H給出開采末期的相關圖幅和數(shù)據(jù)。

圖5 礦體回采至950中段山體整體塑性區(qū)

3.2.1 應力、位移分布

3種頂?shù)字叽缒M結果見圖6，從圖6可以看出，急傾斜礦體回采結束后，應力呈條帶狀分布，且回采過程中留有連續(xù)間柱和頂柱，暴露面積有限，所以3種方案回采結束后的礦體頂板出現(xiàn)拉應力的區(qū)域較小，最大也僅為0.651 MPa，遠遠小于折減后礦體身的抗拉強度值1.62 MPa，巖體不會發(fā)生抗拉破壞；壓應力最大為13.478 MPa，與回采至950中段時的11.88 MPa有所增大，但幅度較小；3種方案回采結束后位移最大僅為12 mm（見圖7），因此，3個方案均滿足應力、位移要求。

3.2.2 安全率、塑性區(qū)分布

頂板、間柱及圍巖等是否破壞，除了與應力、位移有關外，還與安全率相關。安全率變化規(guī)律如圖8所示。從圖8中可以看出，頂柱尺寸為4 m，6 m，10 m時的安全率分別為1.018，1.118和1.328，由此可見，方案一頂柱為4 m時，安全率為1.018，處于臨界狀態(tài)，方案二、方案三安全率均大于1.15，滿足地下礦山安全率大于1.15的經(jīng)驗值。塑性區(qū)的分布情況見圖9。從圖9可以看出，頂柱為4 m時，幾乎整個頂柱都處于塑性狀態(tài)（圖9中紅色區(qū)域），而頂柱為6 m，10 m時，塑性區(qū)域明顯減少，僅在頂板局部區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)，安全性相對較好。所以建議在開采過程中頂柱尺寸不小于6 m，另外，塑性區(qū)的分布有一個明顯的特征，礦體回采結束后，795 m下部塑性區(qū)明顯大于上部，這與深部地壓較大有直接的關系，所以綜合分析認為整體頂柱尺寸不小于6 m，開采至795 m時應適當將頂柱尺寸增加到8 m。

圖6 回采結束間柱、頂柱最大主應力分布

圖7 回采結束間柱、頂柱垂直位移分布

圖8 回采結束間柱、頂柱安全率分布

圖9 回采結束間柱、頂柱塑性區(qū)分布

4 結論

（1）采用三維有限元對筆架山鐵礦進行模擬，通過分析認為950 m中段以上的礦體開采后沒有拉應力出現(xiàn)，且整體安全率大于2.3，對山體及金沙江沒有影響，這與礦山現(xiàn)狀及現(xiàn)場調(diào)查結果也比較吻合，為后期開采提供了依據(jù)。

（2）通過對3種不同頂柱尺寸的回采方案模擬，結合對應力、塑性區(qū)、位移及安全率的綜合分析，認為在開采過程中頂?shù)字恼w尺寸應不小于6 m，開采至795 m時可適當將頂柱尺寸增加到8 m。