基于FLAC3D的煤系地層覆蓋下鋁土礦采場結構參數優化研究

張圓堂,朱建軍,王曉軍,李 剛,黃 丹

(1.江西理工大學,江西 贛州 341000;2.山西華興鋁業有限公司,山西 呂梁 033000;3.江西離子型稀土工程技術研究有限公司,江西 贛州 341000;4.礦冶科技集團有限公司,北京 100160)

隨著國內位于淺地表的鋁土礦儲量消耗殆盡,地下鋁土礦特別是煤下鋁開采成為鋁資源開發的必然選擇和發展趨勢[1-2]。煤系地層下鋁土礦資源儲量極大[3],但其開采復雜性突出,需要解決克服地下鋁土礦開采的諸多問題[4],同時增大了鋁土礦地下開采的難度和危險性,而且需要考慮煤礦與鋁土礦協同開采,最大程度地開發不可再生的自然資源。

國內外煤系地層覆蓋下鋁土礦資源鮮有開發案例,由于其特殊的資源賦存條件、安全生產技術問題及政策等限制,煤下鋁土礦資源直到近年才得到認識和重視,煤系地層覆蓋下的鋁土礦資源一直沒有得到有效利用,其開采技術研究尚數空白,煤下鋁的開發缺乏統一的規劃,實現我國煤及煤下鋁資源統籌兼顧、綜合利用,迫切需要研究、探索新的采礦方法和工藝。

1 工程概況

某鋁土礦位于山西省呂梁境內,礦體形態呈層狀、似層狀,分布較連續。礦體厚度0.80～7.49 m,平均2.89 m,東厚西薄,中、南部厚北部薄,向西傾斜,傾角10～18°,一般15°左右。開拓工程采用脈內布置,開拓運輸方案選用主平硐+斜坡道+卡車運輸,基建和生產工作并行,采礦方法采用留礦護頂房柱法。一期設計開采標高1120～1060 m,不受煤層影響。二期開采1060 m以下煤層壓覆鋁土礦。隨著一期開采的結束,礦山即將開啟二期開采即煤下鋁的開采,然而原有的采場結構參數已不再適用于煤下鋁的開采方式,需對二期采場結構參數進行優化,保障煤、鋁資源的有效回收。

針對某鋁土礦原有采場結構參數不再適用于煤下鋁開采的問題,本文采用FLAC3D軟件分別對不留護頂礦層和護頂礦層厚度分別為0.5 m、0.4 m、0.3 m的情況進行模擬優化,并結合礦山工程地質情況,給出最合理的采場結構參數。

2 數值模擬分析

運用三維有限差分計算軟件-FLAC3D進行數值模擬計算。本次研究的地質工程對象以巖漿巖與變質巖為主,屬于彈塑性材料。因此,計算采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則:

式中:σ1、σ3——最大和最小主應力;

c,φ——材料粘結力和摩擦角。

當fs≥0時,材料將發生剪切破壞。材料在達到屈服極限后,在恒定的應力水平下產生塑性變形。在拉應力狀態下,如果拉應力超過材料的抗拉強度,材料將發生破壞。

3 模型建立

計算模型尺寸150 m×154 m×50 m(X×Y×Z),由260,000個六面體網格,275,730個節點組成。采場開挖區域尺寸41 m×51 m(傾向×走向水平長度)。模型由上往下各分層分別為間接頂板-直接頂板-鋁土礦層-直接底板-間接底板。

4 力學參數與邊界條件

4.1 力學參數

計算采用的巖體力學參數見表1。其中間接頂板參考勘探報告巖石力學試驗結果和巖體完整性描述,在無法進行工程地質調查的情況下,綜合考慮間接頂板各巖組的強度,暫時將間接頂板按Ⅳ級巖體選取力學參數;直接頂板、鋁土礦層、直接底板參數為前述巖石力學研究結果;間接底板參考勘探報告力學試驗結果,進行一定工程折減處理;膠結充填體和崩落巖體參數類比選取。

圖1 模型網格劃分、開采區域示意圖

圖2 開采區域內部結構水平投影示意圖

表1 計算采用的力學參數表

4.2 邊界條件

(1)應力邊界條件

本次計算模型受力主要是巖體自重,不隨單元方向變化而改變,始終保持它們的最初方向。簡化地表為水平,模型頂面距離地表約200 m,因此頂面施加上覆巖層自重應力邊界,上覆巖層自重應力按4.25 MPa考慮,根據我國地層淺部最大主應力一般為水平構造應力的普遍情況,初始水平應力按垂直應力的1.2倍考慮。

(2)位移邊界條件

根據研究的需要,模型尺寸遠大于礦體尺寸,可以認為在遠離礦體的模型邊界基本處于原巖應力或影響較小可忽略不計。因此,不妨將遠處邊界固定,僅關注模型內部的位移變形。即:在x=0和x=150面固定其x方向位移為0;在y=0和y=154面固定其y方向位移為0;在模型的底部z=0處固定其x、y、z方向的位移均為0;模型由于僅受自重應力作用,表面不約束其位移,可自由變形。

5 計算步驟

(1)初始平衡計算

初始地質模型形成合理與否很大程度上取決于模型設計的合理程度,計算模型最終形成的應該是近應力平衡系統。模型形成過程中,FLAC3D計算軟件內部嵌入自動檢測模型最大不平衡力功能,即每迭代計算一步會有一個變量顯示模型內部各節點一個最大不平衡力值,該值的大小能反映出模型的平衡狀態,該值隨模型迭代收斂逐漸減小,最后趨于零,本次計算初始應力模型形成過程中,最大不平衡力變化過程如圖3所示,可以看出模型中最大不平衡力最后區域恒定值零,表示模型達到穩定狀態,滿足計算要求。模型初始垂直、水平應力云圖見圖4。

圖3 最大不平衡力歷程曲線

圖4 模型初始垂直、水平應力云圖

(2)模擬回采計算

按采礦方法提供的開采順序并對回采過程進行了一定簡化,總體上模擬回采順序見圖5。第一步:切割上山開挖;第二步:中部上山充填;第三步:礦體分條分步退采;第四步:崩落空區頂板,每步均計算平衡。

圖5 回采過程模擬計算順序示意圖

6 計算結果分析

考慮護頂礦層厚度對回采安全以及回采率影響較大,本次采場結構參數重點研究護頂礦層厚度。研究步驟是首先計算不留護頂礦層,若安全性能得到保障,則可不留護頂礦層。若安全性得不到保障,則在采礦工藝設計參數的基礎上對護頂礦層厚度遞減研究。

6.1 不留護頂礦層時計算結果分析

不留護頂礦層時,切割上山開挖后的計算結果見圖6。從圖中可以看出,切割上山開挖后,上山巷道頂底板圍巖垂直應力釋放,集中于未開采礦柱區域及圍巖,整個采場區域上部巖體形成低應力拱區(即開挖對上部巖體產生卸荷作用),拱區內最大、最小主應力值下降約1.0～2.0 MPa。切割上山頂板產生向下位移,最大約6.5 cm,并且采場區域上部巖體整體產生向下約1.0～2.0 cm位移。從塑性區分布情況來看,切割上山頂板及礦柱巖體幾乎全部處于剪切破壞狀態。說明不留護頂礦層的情況下,切割上山巷道回采過程會造成上部頂板和巷道間礦柱發生較嚴重破壞,影響切割上山和下步回采的安全,因此,有必要預留護頂礦層。

圖6 不留護頂礦層時切割上山開挖后模型計算結果圖(X=75剖面)

6.2 護頂礦層厚度優化結果分析

根據采礦工藝設計,護頂礦層厚度h=0.5 m。本次護頂礦層厚度優化試圖尋求更薄的護頂礦層厚度,以在保障安全的前提下增加回采率,分別計算護頂礦層厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三種情況。護頂礦層為0.5 m時切割上山開挖后計算結果見圖7。

圖7 切割上山開挖后計算結果圖(護頂礦層0.5 m,X=75剖面)

由模擬結果可知,切割上山的開挖會導致巷道頂底板應力釋放,礦柱內部應力集中,與不留護頂礦層相比,由于護頂礦層的保護,頂板應力釋放程度比不留護頂礦層小。對于三種不同護頂厚度而言,應力釋放和集中程度在數值上差別并不大,但是應力釋放的范圍有所不同,這點在最小主應力云圖中表現比較明顯。0.5 m時影響范圍最小,0.3 m時最大,0.4 m時居中。

從護頂礦層豎向位移來分析,切割上山開挖引起四周巖體向上山巷道內部發生位移,其中對安全影響較大的是頂板向下的豎向位移,三種情況分別是3.92 cm(h=0.5 m)<4.59 cm(h=0.4 m)<5.46 cm(h=0.3 m)。若以2.0 cm等值線為分界,可以得出,h=0.5 m時頂板位移等值線雖有相互擴展貫通趨勢,但兩側上山位置仍相對獨立;而h=0.4 m時,上山頂板位移等值線相互擴展貫通并向上部延深;h=0.3 m時,上山頂板位移等值線相互貫通,向上部延深范圍更大。

從塑性區分布情況來分析,相同的規律是先開挖的上山兩側礦柱塑性區分布多,后開挖上山兩側礦柱塑性區分布少。當h=0.5 m時,所示剖面上山頂板未出現剪切破壞塑性區;h=0.4 m時,剖面上山頂板局部出現剪切破壞塑性區;h=0.3 m時,礦柱及頂板塑性區更多。

為詳細分析開采過程護頂礦層的塑性區分布情況,單獨將開采區域護頂礦層塑性區分布情況進行分析對比,塑性區單元個數統計對比如圖8。從圖中可以看出,隨著護頂礦層厚度的減小,塑性區數量逐漸增加。

圖8 采場區域護頂礦層塑性區單元個數

按照順序開挖各條帶時,由模擬結果可知,所開挖條帶護頂礦層塑性區單元數量隨護頂礦層厚度減小亦逐漸增加。

通過塑性區分布情況可知,在當前計算參數條件下,護頂厚度0.5 m時塑性區單元個數最少,0.3 m時最多,0.4 m時居中。需要注意的是,0.5 m的護頂厚度,雖然能夠有效控制頂板,避免大面積破壞,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破壞,并且在退采階段塑性區范圍比較大。因此,建議護頂礦層厚度不得小于0.5 m的同時,回采時還應加強局部支護。

7 結 論

(1)不留護頂礦層的情況下,切割上山巷道回采過程會造成上部頂板和巷道間礦柱發生較嚴重破壞,影響切割上山和下步回采的安全,因此,有必要預留護頂礦層。

(2)通過對護頂礦層厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三種情況的對比分析,應力釋放、集中程度和范圍,頂板豎向位移,塑性區數量均為0.3 m時最大,0.5 m時最小,0.4 m時居中。0.5 m的護頂厚度,雖然能夠有效控制頂板,避免大面積破壞,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破壞,并且在退采階段塑性區范圍比較大。

(3)建議護頂礦層厚度不得小于0.5 m的同時,回采時還應加強局部支護。