緩傾斜極薄礦體采場結構參數優化研究

徐永文 吳炳書 李官兵 李正燦 劉允秋

(1.山東黃金礦業(鑫匯)有限公司,山東 平度 266700;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.中鋼集團南京華忻科技有限公司,江蘇 南京 211106)

近年來,隨著礦山對安全高效開采的不斷重視,合理設置采場參數得到業內高度關注。傳統思路是通過經驗類比或者根據工程相似等原理來獲取采場結構參數,但受人為主觀經驗影響較大,難以獲取最優參數[1-2]。近年來,隨著分析方法不斷創新,不少學者在采場參數優選方法方面的研究取得了一定的進展。葉加冕[3]以莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準則為判據,應用大型三維非線性有限單元法程序3D-σ進行了數值模擬分析,獲取了采場結構參數最優值;馬春德等[4]采用有限元軟件ANSYS與有限差分軟件FLAC3D的耦合思路模擬不同跨度的采場開挖方案,實現了采場結構參數的優化取值;陸衛東等[5]通過FLAC3D軟件構建了急傾斜特厚煤層開采數值模型,模擬了開采過程中的應力分布,分析了應力分布規律和上分層開采對下分層卸壓的影響范圍。總體上,目前越來越多學者采用計算機模擬以及數值模擬軟件實現采場結構參數優化,并且分析效果較理想[6-14]。

因此,針對山東黃金礦業(鑫匯)金礦雙側拋擲嗣后充填采礦方法的采場結構參數優化難點,本研究采用FLAC3D軟件,構建礦體及巷道模型,對不同結構參數的開采方案進行數值模擬,分析得到較為適合雙側拋擲嗣后充填采礦方法開采的采場結構參數。

1 礦山概況

1.1 礦山地質條件

山東黃金礦業(鑫匯)金礦的緩傾斜極薄礦體位于-200～-240 m中段,礦體走向近SN,傾向W,傾角為0°～31°。沿走向和傾向均呈舒緩波狀延伸,具有分支復合、膨脹夾縮及尖滅再現現象。礦體沿走向長度為50～100m,礦體厚度為0.1～3.0m,平均厚度約0.66 m。礦體和圍巖較堅硬,除了局部構造破壞外,一般穩固性較好,硬度系數f=8～13,礦石密度約2.7 t/m3,松散系數為1.5,無氧化結塊現象。礦體平均品位為10.32 g/t,具有良好的開采條件。

1.2 礦山采礦方法

本研究針對山東黃金(鑫匯)金礦緩傾斜極薄礦體特征,設計采用雙側拋擲嗣后充填采礦法,采場長度約20 m,寬約6 m[15]。采場運輸巷、上山切割巷的斷面規格為2.3 m×2.5 m,掘進到盤區上部位置向兩側各掘進1.6 m,形成斷面規格為2.3m×2.5m的上盤切割槽。充填管路從充填井、經采場運輸巷引入采場上部,一步采用灰砂比為1∶10的膠結充填,二步采用全尾砂水砂充填,充填接頂。采礦方案設計見圖1。

圖1 雙側拋擲嗣后充填采礦法Fig.1 Bilateral throw subsequent filling mining method

2 采場結構參數與數值模擬

2.1 模型參數選取

巖體力學參數的正確選取是保證數值模擬分析結果準確的關鍵,本研究采集山東黃金(鑫匯)金礦的巖塊制成標準試件,通過室內試驗測得各項力學參數,利用Hoek-Brown法進行折減,折減后的巖體力學參數取值見表1。

表1 數值模擬的礦巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of ore rock in numerical simulation

2.2 模型邊界條件設置

參考(鑫匯)金礦已有的地應力測量資料,本研究數值模擬分析中地應力σv采用靜水壓力公式進行計算:式中,γ為礦巖容重,kN/m3;H為深度,m;σv為地應力,kPa。

根據礦體賦存條件可知,試驗采場采深為200～240 m,為便于理論計算,取240 m;上覆巖層容重按27.3 kN/m3進行計算。可求得模型頂板垂直應力為6.55 MPa,水平方向應力取垂直應力的1/2,因此可得水平方向應力為3.27 MPa。確定初始地應力后,對模型進行邊界約束,固定模型底部Z軸以及四周X、Y軸方向的位移,設置重力加速度為9.8 m/s2。

2.3 礦體模型構建

依據所選取的模型參數及邊界條件,建立了如圖2所示的采場數值模擬模型,尺寸為50 m×20 m×30 m(長×寬×高)。為了能夠準確地模擬采場回采后的應力和位移的改變情況,首先將模型劃分成3層;然后再劃分網格,上、中、下層,中間部分是受礦槽、間柱和礦體。為了保障模擬結果的精確性,縮小巷道周邊的網格密度,以提高數值模擬精度。因此,構建模型時在中間部分網格布置更加密集,共劃分了1 367 040個單元格,1 410 930個節點,如圖2所示。

圖2 礦體模型Fig.2 Model of orebody

2.4 采場結構參數模擬方案設計

為了探究不同參數下開采時頂板采場應力變化及位移變化規律,根據提出的雙側側向拋擲采礦法,結合礦體賦存情況,制定了不同的回采寬度參數進行模擬分析。采場結構參數方案設計見表2。

表2 采場結構參數方案設計Table 2 Design of the schemes of stope structure parameters m

3 數值模擬結果及分析

3.1 不同采幅應力變化結果

根據設計的采礦方案,對采場結構的回采寬度進行分析,回采過程采用“隔一采一”的方式,利用FLAC3D對5種方案進行了模擬分析,所得應力分析結果如圖3～圖7所示。

圖3 方案Ⅰ回采寬度分步回采應力分布特征Fig.3 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅰ

圖4 方案Ⅱ回采寬度分步回采應力分布特征Fig.4 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅱ

圖5 方案Ⅲ回采寬度分步回采應力分布特征Fig.5 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅲ

圖6 方案Ⅳ回采寬度分步回采應力分布特征Fig.6 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅳ

圖7 方案Ⅴ回采寬度分步回采應力分布特征Fig.7 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅴ

由圖3～圖7可知:最大主應力集中在開挖后礦體與巖石的交界處,空區受到兩側的最大主應力比豎直方向要大。在不同的回采過程中,最大主應力分別呈先上升后下降的趨勢,略高于上盤圍巖抗壓強度,礦體和圍巖部分發生破壞。最大主應力具體取值見表3。

表3 不同條件下回采過程最大主應力Table 3 Maximum principal stress in mining process under different conditions MPa

3.2 不同采幅位移變化結果

在分析5種方案應力變化規律的基礎上,進一步討論了各方案的位移變化特征,其中方案Ⅰ的回采位移變化特征如圖8所示。

圖8 方案Ⅰ回采寬度分步回采位移變化特征Fig.8 Variation characteristics of stoping displacement with stoping width step by step in scheme Ⅰ

由圖8可知:采場頂板的下沉量曲線關于采場軸線對稱,且頂板位移遠大于底板的變形量,最大位移在頂板附近。隨著采幅的增加,頂板下沉量逐漸增大。位移隨著礦房的回采逐漸增大,最終維持在3.13 mm左右。5組方案各回采過程中的位移變化數據見表4。

表4 各方案回采過程的最大位移Table 4 Maximum displacement of the mining process of each scheme mm

3.3 采場結構參數方案對比分析

結合表3,在5種方案中,對不同的采幅條件下各個回采過程中的最大主應力進行了對比分析,結果如圖9所示。

圖9 礦體不同回采寬度對應的最大主應力Fig.9 Maximum principal stress corresponding to different stoping widths of orebodies

由圖9可知:在回采寬度固定的條件下,隨著礦房的回采,最大主應力呈現先增大后減小的趨勢,最終維持在某數值附近,表明巖體中的部分壓力得到釋放,應力分布達到新的平衡狀態。隨著回采寬度的增大,最大主應力均有所增大;礦石回采后應力重新分布,在垂直方向處(頂底板)并非應力最大,應力多集中于礦石開挖后邊角處與兩側。在采幅為2.5 m和3.0 m的方案中,在第4步和第5步回采完成應力重新分布后,周邊圍巖應力呈現上升趨勢,有潛在的巖爆風險。

結合表4數據,對不同回采寬度條件下各個回采過程中的最大位移量進行了對比分析,結果如圖10所示。

圖10 礦體不同回采寬度對應的最大位移量Fig.10 Maximum displacement corresponding to different stoping widths of orebodies

由圖10可知:在回采寬度固定的條件下,前期開挖時位移量保持穩定,當開挖至第4、5步時,Z方向最大位移隨著回采過程突然增大,表明未開采礦房的存在對減緩回采形成的擾動區域的擴展起到一定的作用;隨著回采寬度增大,Z方向最大位移也均勻增大,頂板的最大下沉量為5.8 mm,表明該礦薄礦體區域頂板巖石穩固性較好。根據現場實踐經驗,通常以頂板下沉量10 mm為臨界值。在各回采方案中,下沉量均可控制在安全范圍內,可以為回采過程提供安全條件。

綜上所述,綜合5種方案的最大主應力和最大位移量變化特征的分析,進一步討論山東黃金礦業(鑫匯)金礦的緩傾斜極薄礦體采場結構參數最優方案。當采場結構參數采用方案Ⅱ時,采場主應力較小且基本保持平穩狀態,并在第4、5步回采后,圍巖應力下降趨勢最為明顯,同時整個開采過程圍巖位移量也相對較小。綜合考慮,將回采寬度設置為1.5m效果最優,可在實現高效開采的同時,保證生產安全。

4 結 論

針對山東黃金(鑫匯)金礦緩傾斜極薄礦體采場結構穩定性問題,采用了基于有限元分析軟件FLAC3D的分析方法,構建了礦體數值模型,并通過礦山實際案例數據設置了合理的模型參數;設計了科學的模擬方案,并綜合對比分析了各方案的最大主應力及位移量變化規律,可為該礦采場結構參數優化提供依據。主要結論如下:

(1)隨著采幅增大,第1步回采后產生的應力和破壞范圍明顯增大,在不同的回采過程中,圍巖中的應力存在釋放的過程,能夠使應力分布達到新的平衡狀態。同時隨著采幅增大,頂板下沉量逐漸增大,前期的頂板變形量增加緩慢,隨著礦房的回采,頂板位移大幅度增加,需要加強對頂板位移的監測,以保證采場正常生產。

(2)本研究采用的緩傾斜薄礦體雙側拋擲嗣后充填采礦方法的采場應力分布特征分析思路,對于同類礦山開采結構參數優化設計有一定的參考價值。