李何林 胡 崴

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

徐樓鐵礦石樓一礦帶位于閃長巖與大理巖接帶，或其附近的大理巖內(nèi)，沿閃長巖床上下兩側(cè)礦體呈水平狀，礦體埋深從60～160m。上覆有第四系巖層，頂?shù)装逯饕獮榇罄韼r和閃長巖，但其厚度較薄。礦體埋藏于侵蝕基準(zhǔn)面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體走向基本為東西向，在走向方向，礦體埋藏西高東低，整個礦體分三步回采，一、二步回采礦塊，三步回采間柱和頂柱。

開采防水頂柱，主要是要防止由于頂柱采動，地表或含水層經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶下泄至采空區(qū)造成淹井事故，然而，井下開采對頂板巖層以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響是個非常復(fù)雜的問題，因地質(zhì)條件不同，不同礦山存在極大差異。本研究借助計數(shù)值模擬手段，對徐樓－45 m防水頂柱的回采過程進(jìn)行分析，為礦山安全、高效開采提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 基本假設(shè)

(1)巖性，將巖體視為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)［1］。

(2)初始地應(yīng)力，徐樓鐵礦，初始地應(yīng)力場僅按自重應(yīng)力場考慮。

(3)開挖，礦體開挖過程為一次形成，不考慮時間效應(yīng)［2］。

1.2 模型的幾何尺寸

X方向?yàn)榈V體走向方向，取待回采的頂柱長度的3～5倍(700 m);Y方向?yàn)榈V體傾向方向，取采場推進(jìn)長度300 m;Z方向?yàn)榈V體埋深方向，取值大小為400m。模型長×高×寬為700 m×400 m×300 m(見圖1)。

圖1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D M odel

1.3 模型巖體參數(shù)的確定

以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按數(shù)值模擬需要，對力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減(按類似礦山地下工程經(jīng)驗(yàn)及徐樓鐵礦巖體完整性系數(shù)，參數(shù)折減系數(shù)取0.3～0.5)，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1 The physical and mechanical properties of the rock

1.4 數(shù)值模擬計算方案

對－45 m以上防水頂柱分層開采過程采場頂板的受力情況進(jìn)行分析。由于巖體抗拉強(qiáng)度很低，當(dāng)采場圍巖中出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)時，該區(qū)域內(nèi)巖體極易發(fā)生張性破壞，破壞范圍與拉應(yīng)力影響范圍密切相關(guān)，故本次模擬主要對頂板巖層最大主應(yīng)力進(jìn)行分析，根據(jù)頂板巖層的最大主應(yīng)力的大小及分布情況，確定不同的頂柱回采高度對頂板巖層的穩(wěn)定性的影響。采用3、6、9 m 3種不同的回采高度分別進(jìn)行計算，具體情況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計算方案Table2 Numerical simulation p lan m

2 計算結(jié)果及分析

3 種不同的分層高度開采后，頂板的最大主應(yīng)力分布特征如圖2、圖3和圖4所示。

由圖2、圖3及圖4分析可知，3種不同分層厚度頂柱回采，其拉應(yīng)力具有相同的分布規(guī)律，拉應(yīng)力在水平方向分布于整個采場頂板，在豎直方向分布于采空區(qū)頂板以上高度約12～15m;最大拉應(yīng)力位于采場頂板中心位置，并從頂板中心向四周遞減;回采3、6和9 m頂柱時，最大拉應(yīng)力值為分別為0.60、0.61和0.63 MPa，隨著回采高度的增加，最大拉應(yīng)力值略有增大。

圖2 回采3m頂柱時最大主應(yīng)力云圖Fig.2 M aximum principal stress nephogram of 3 m need le stoping

圖3 回采6m頂柱時最大主應(yīng)力云圖Fig.3 M aximum principal stress nephogram of 6 m needle stoping

圖4 回采9m頂柱時最大主應(yīng)力云圖Fig.4 M aximum principal stress nephogram of 9 m needle stoping

3 結(jié)論

(1)不同厚度頂柱回采其拉應(yīng)力分布具有普遍規(guī)律，隨著回采厚度的增加，拉應(yīng)力分布范圍和最大拉應(yīng)力值不會發(fā)生明顯的變化，因此，在一定范圍內(nèi)不同厚度頂柱回采對頂板穩(wěn)定性影響較小。

(2)根據(jù)拉應(yīng)力的分布情況，可以認(rèn)為在頂柱回采作業(yè)時影響范圍為空區(qū)上方約12～15 m的礦巖體。故為保證回采安全，應(yīng)在采空區(qū)與風(fēng)化帶(風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，與含水層相連)之間至少預(yù)留厚度為15 m的礦巖體作為隔離層。

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