復雜采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬及采礦方法優(yōu)化

路燕澤 郭 斌 楊志強 劉志義 王社光 王慶剛

(1.河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司,河北 邢臺 054100;2.華北理工大學礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063210)

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展,礦石的需求急速增長,為滿足社會的需求,礦山一方面向深部開采,另一方面提高復雜難采礦體的利用率。復雜難采礦體具有典型的“松、散、軟、弱”特征,存在礦巖強度低、塑性流變大、側(cè)幫與頂板易坍塌、采場環(huán)境復雜等問題,其采礦方法的選擇及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是當今采礦技術(shù)的一大難題。國內(nèi)學者蘇龍等[1]在巖體質(zhì)量分級的基礎(chǔ)上對采場穩(wěn)定性進行分析;郭陽、董金奎、李勝輝等[2-4]應用Mathew穩(wěn)定圖表法用于采場穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計;黃剛、建建明、劉志義、孫臣良、劉建東、朱青凌、趙興東、趙增山等[5-12]采用FLAC3D對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行數(shù)值模擬優(yōu)化研究,以確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。某鐵礦北區(qū)采場復雜破碎,礦山開采極其困難,存在垮幫、冒頂、坍塌等諸多安全風險。本研究以該鐵礦北區(qū)復雜破碎采場為背景,基于巖體質(zhì)量分級結(jié)果,采用Mathew穩(wěn)定圖表法對采場長度進行優(yōu)化,然后采用FLAC3D按不同的采場寬度和高度分為單礦房、兩礦房、三礦房、四礦房開采等4種情況,分析各種情況下不穩(wěn)定區(qū)域開采引起的應力、位移、塑性破壞區(qū)變化,在此基礎(chǔ)上結(jié)合開采實際提出2種回采優(yōu)化方案。

1 北區(qū)采場巖體質(zhì)量分級

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查結(jié)果,在北部區(qū)域-170、-185、-200、-215、-230 m等各分段的采場不同位置取20組巖石試件進行現(xiàn)場巖石力學實驗—點荷載測試。 同時在-170、-185、-200、-215、-230 m等各水平的巷道選取結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況較好的地點進行結(jié)構(gòu)面測量,內(nèi)容包括:結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、體密度等。在此基礎(chǔ)上采用BQ值分級法進行北區(qū)采場巖體質(zhì)量分級,表1為北區(qū)巖體質(zhì)量分級分析。根據(jù)礦巖點荷載強度試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析,北部區(qū)域礦巖穩(wěn)定性級別以Ⅴ級(16個測點)為主,其次是Ⅳ級(4個測點),整體穩(wěn)定性較差。其中,-170、-230 m水平穩(wěn)定性變化較大,從極不穩(wěn)定到不穩(wěn)定;-215、-200、-185m水平穩(wěn)定性變化范圍較小,為極不穩(wěn)定類型。

表1 北區(qū)巖體質(zhì)量分級分析Table 1 Rock mass quality classification analysis in North District

2 北區(qū)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化

礦山前期在礦巖質(zhì)量分級的基礎(chǔ)上采用Mathew穩(wěn)定圖表法,綜合考慮采場頂板與側(cè)幫穩(wěn)定性,及南區(qū)采場開采現(xiàn)狀,對采場長度進行了優(yōu)化研究,確定采場長度30～40 m較為合適。現(xiàn)擬結(jié)合南區(qū)采場開采現(xiàn)狀,按設(shè)計采場寬度分別為 10、12、14、16、18 m,采場高度分別為 15、20、30、45、60 m,對北區(qū)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行數(shù)值模擬優(yōu)化研究,分析不同采場高度和寬度對礦房穩(wěn)定性的影響,以確定合理的開采結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 采場寬度優(yōu)化與確定

采場寬度是影響采場穩(wěn)定性的一個重要因素,為分析不同采場寬度對礦房穩(wěn)定性的影響,對其展開數(shù)值模擬研究,根據(jù)礦山條件和基于前期Mathew法計算結(jié)果,以礦房長度30 m、高度 30 m,寬度分別為10、12、14、16、18 m,分為單礦房開采、兩礦房開采、三礦房開采、四礦房開采等4種情況,分別對每種情況下采場頂板垂直方向應力、側(cè)幫水平方向應力、頂板垂直方向位移、側(cè)幫水平方向位移、采場剖面塑性區(qū)分布云圖進行模擬計算和對比分析,以確定合理的礦房寬度參數(shù)。以四礦房開采為例,對采場寬度參數(shù)優(yōu)化進行說明。

2.1.1 四礦房開采時頂板應力對比分析

(1)垂直方向應力對比分析。圖1為5種不同寬度、4個礦房開挖時的剖面垂直應力分布云圖。通過分析比較,可以得到以下結(jié)論:隨著采場寬度的增加,4個礦房兩幫的壓應力呈減小的趨勢,頂板和底板的應力呈增加的趨勢;且隨著寬度的增加,頂?shù)装謇瓚眲∩仙?有極大的失穩(wěn)風險;當采場寬度增加至18m時,頂板垂直方向的應力達到0.176 MPa,已經(jīng)出現(xiàn)拉應力,且應力集中范圍變大,說明頂板圍巖存在脫落危險,且采場寬度越大,危險程度越高;隨著采場寬度增加,礦房之間的兩幫壓應力變化以減小的趨勢呈現(xiàn),但變化范圍不大,不足以影響采場圍巖的破壞。

圖1 不同寬度采場頂板垂直方向應力分布云圖Fig.1 Vertical stress distribution cloud diagram s of stope roofs with different widths

(2)側(cè)幫水平方向應力對比分析。圖2為5種不同寬度、4礦房開挖時的5種不同寬度的剖面水平應力分布云圖。通過分析比較,可以得出結(jié)論:隨著采場寬度的增加,采場兩幫的水平應力出現(xiàn)拉應力集中,集中區(qū)域隨著寬度的增加而逐漸增加,說明采場寬度的增加不利于采場的穩(wěn)定,礦房頂板和底板均有失穩(wěn)風險。采場頂板的水平應力隨采場寬度的變化較小,底板的水平應力范圍隨采場寬度的增加而增大。

圖2 不同寬度采場側(cè)幫水平方向應力分布云圖Fig.2 Horizontal stress distribution cloud diagram of side siding of stope with different width

2.1.2 四礦房開采時位移對比分析

(1)頂板垂直方向位移對比分析。圖3分別給出了5種不同方案,四礦房開采時的采場剖面垂直方向位移分布云圖。通過分析比較,得到結(jié)論:四礦房開采時,對周圍圍巖造成巨大擾動,均產(chǎn)生較大位移量變化;隨著采場寬度的增加,開挖后礦房均會出現(xiàn)不同程度的位移變化,其中頂板呈下沉趨勢,底板呈鼓起趨勢,礦房之間均會產(chǎn)生較大影響,相鄰礦房間應力場交互,形成較為嚴重的集中增強現(xiàn)象;隨著寬度的增加,應力集中范圍增加,有極大的底板鼓起、頂板冒落等風險。

圖3 不同寬度采場頂板垂直方向位移分布云圖Fig.3 Cloud map of vertical displacement distribution of stope roof with different widths

(2)水平方向位移對比分析。圖4分別給出了5種不同方案的采場剖面水平方向位移分布云圖。通過分析比較,得到結(jié)論:采場開挖后,兩幫均有向采場內(nèi)位移的趨勢;處于中間的2個礦房的兩幫的位移量較大,兩側(cè)礦房兩幫的位移量較小。

圖4 不同寬度采場側(cè)幫水平方向位移分布云圖Fig.4 Horizontal displacement distribution cloud map of side siding of different width stope

2.1.3 塑性區(qū)對比分析

圖5分別給出5種不同方案的采場剖面塑性區(qū)分布云圖,通過分析比較,可得到結(jié)論:隨著采場寬度的增加,礦房頂板和底板周圍的塑性區(qū)變化幅度極微小,但相距較近的礦房兩幫的塑性區(qū)范圍產(chǎn)生交互;隨著礦房寬度的增加,兩幫圍巖的剪切破壞區(qū)域增多;中間圍巖頂部塑性區(qū)范圍擴大,有極大的失穩(wěn)風險;兩側(cè)礦房頂部邊緣處的塑性區(qū)顯著增多,礦房頂板出現(xiàn)較大區(qū)域的剪切破壞區(qū)域。

圖5 不同寬度采場頂板與側(cè)幫塑性區(qū)分布云圖Fig.5 Cloud map of distribution of plastic zone on roof and side slab of different width stope

2.1.4 采場寬度優(yōu)化分析與確定

就應力場來看,隨著采場寬度的增加,頂?shù)装宓拇怪狈较驊鞋F(xiàn)象更明顯,采場寬度18m時,頂板處于極不穩(wěn)定狀態(tài),可排除此方案。5種方案中采場兩幫均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,但各方案壓應力變化較小,不足以對圍巖造成破壞。當采場寬度為16、18 m時,底板的水平應力集中明顯增加,易造成底板鼓起破壞失穩(wěn),可排除此方案。就位移場來看,5種方案的頂?shù)装逦灰屏烤试黾拥内厔?采場寬度越大,底板越容易鼓起。就塑性區(qū)分析來看,采場寬度為14 m及以上時,剪切破壞區(qū)的范圍較多,存在局部失穩(wěn)風險。綜合從安全及經(jīng)濟角度考慮,選擇采場寬度10～12 m較為合理,在頂板條件好的區(qū)域可以考慮14 m的采場寬度,開采過程中需要配合相應的支護措施。

2.2 采場高度優(yōu)化與確定

采場高度同樣是影響采場穩(wěn)定性的一個重要因素,以礦房長度30 m、寬度12 m,高度分別為 15、20、30、45、60 m,分為單礦房開采、兩礦房開采、三礦房開采、四礦房開采等4種情況,分別對每種情況下采場頂板垂直方向應力、側(cè)幫水平方向應力、頂板垂直方向位移、側(cè)幫水平方向位移、采場剖面塑性區(qū)分布云圖進行模擬計算和對比分析,可以得出結(jié)論:

(1)當采場高度為 15、20、30 m時,頂板均未出現(xiàn)垂直方向的拉應力,說明圍巖是穩(wěn)固的;當采場高度為 45、60 m時頂板出現(xiàn)拉應力,隨著采場高度的增加,拉應力區(qū)域逐漸增大,存在失穩(wěn)風險。

(2)隨著采場高度的增加頂板壓應力區(qū)域逐漸減小,但兩幫水平拉應力集中區(qū)域逐漸變大,在礦房之間出現(xiàn)壓應力交叉區(qū);采場高度為15、20、30 m時,兩幫未出現(xiàn)水平方向拉應力,說明圍巖較為穩(wěn)固。采場高度為45、60 m時,兩幫的水平方向應力表現(xiàn)為拉應力,且應力集中范圍較大,采區(qū)整體處于拉應力范圍,存在整體失穩(wěn)風險。

(3)當高度為 15、20、30 m時,頂板沉降位移量較為接近;而當高度為45、60 m時,頂板沉降量大幅提升,表明已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。當高度為15、20、30 m時,底鼓程度較為接近;而當高度為45、60 m時,底鼓程度大幅提升,且產(chǎn)生位移聯(lián)合區(qū),底板整體出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,存在整體失穩(wěn)風險。

(4)當高度為 15、20、30 m時,位移量隨著高度的增加而逐漸增加;當高度增加至45、60 m時,水平位移量左右不同,位移量發(fā)生一定程度的質(zhì)變,說明開挖過程中已發(fā)生破壞。

(5)當高度為 15、20、30 m時,隨著采場高度的增加,頂?shù)装逅苄詤^(qū)均表現(xiàn)為shear-p(剪切破壞)和tension-p(拉伸破壞),說明開挖區(qū)域周邊圍巖經(jīng)歷過應力峰值,但頂板未發(fā)生破壞;當高度增加至45、60 m時,剪切破壞區(qū)逐漸增加,此時采場已處于失穩(wěn)狀態(tài),需要加強支護。綜上分析表明,采場高度15～30 m較為合理,采場越高,越應加強采場支護。

3 北區(qū)采場采礦方法優(yōu)化

綜合上述分析并結(jié)合開采實際,提出2種回采方案:當?shù)V體厚度小于50m時,采用預控頂中深孔落礦分段鑿巖塹溝階段出礦嗣后充填采礦法;礦體厚度大于50 m時,采用預控頂大直徑深孔側(cè)向崩礦階段空場嗣后充填采礦法。

(1)預控頂中深孔落礦分段鑿巖塹溝階段出礦嗣后充填采礦法。礦房寬12 m,高30 m,長30～40 m,多個礦房礦柱組成一個盤區(qū),盤區(qū)長60 m,寬60 m,分段高度為15 m。頂板條件好的區(qū)域,礦房寬度可增加至14 m,同時配合相應的支護措施。

(2)預控頂大直徑深孔側(cè)向崩礦階段空場嗣后充填采礦法。一個盤區(qū)每個分段劃分為6個礦房,盤區(qū)之間留永久礦柱,單個礦房寬10～15 m,段高50～60 m,長 30～40 m,一步采和二步采礦房尺寸相同。為保障安全開采,進一步優(yōu)化支護方式,大直徑深孔礦房鑿巖硐室采用錨網(wǎng)噴+預應力長錨索聯(lián)合支護技術(shù)進行采場頂板預控頂,局部破碎區(qū)域采取加密或加長錨索支護工藝。

4 結(jié) 論

(1)進行巖體力學實驗和現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析,在此基礎(chǔ)上采用BQ值分級法進行采場巖體質(zhì)量分級,可知北部區(qū)域礦巖穩(wěn)定性級別以Ⅴ級(16個測點)為主,其次是Ⅳ級(4個測點),整體穩(wěn)定性較差。

(2)以礦房長度30 m、高度 30 m,寬度分別為10、12、14、16、18 m,分為單礦房、兩礦房、三礦房、四礦房開采等4種情況進行數(shù)值模擬計算和對比分析,綜合安全及經(jīng)濟因素,認為采場寬度10～12 m較為合理,在頂板條件好的區(qū)域可以考慮14 m的采場寬度,開采過程中需要配合相應的支護措施。

(3)以礦房長度30 m、寬度 12 m,高度分別為15、20、30、45、60 m,分為單礦房、兩礦房、三礦房、四礦房開采等4種情況進行數(shù)值模擬計算和對比分析,認為采場高度15～30 m較為合理,采場越高,越應加強采場支護。

(4)綜合分析結(jié)果并結(jié)合開采實際,提出2種回采方案:當?shù)V體厚度小于50m時,采用預控頂中深孔落礦分段鑿巖塹溝階段出礦嗣后充填采礦法;礦體厚度大于50 m時,采用預控頂大直徑深孔側(cè)向崩礦階段空場嗣后充填采礦法。研究結(jié)果可為類似采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及采礦方法的選擇提供參考。