郟　威　何曉文

(安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

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羅河鐵礦二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

郟威何曉文

(安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要為了保證羅河鐵礦二步采場生產(chǎn)能力和安全性，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同參數(shù)的二步采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析，獲得安全合理的采場參數(shù)。通過分析開采過程中各參數(shù)采場頂板的應(yīng)力和位移變化特征，結(jié)合頂板應(yīng)力與位移分布云圖，得出各參數(shù)采場在開采過程中的穩(wěn)定情況。結(jié)果表明，當(dāng)采場寬度為19～20 m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力值超出其自身的極限抗拉強(qiáng)度，且拉應(yīng)力的分布區(qū)域占頂板的90%，同時頂板最大位移量達(dá)40 mm，頂板易發(fā)生拉伸破壞而產(chǎn)生冒頂或垮塌危險(xiǎn)。建議二步采場寬18 m，高15 m。

關(guān)鍵詞二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬

隨著采礦裝備和采礦技術(shù)的迅速發(fā)展，高分段充填采礦法在黑色金屬礦山得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為提高采場生產(chǎn)能力，降低采礦成本，礦山一般分兩步驟回采，即先采礦房后采礦柱。一步礦房兩側(cè)為原巖，生產(chǎn)能力大，作業(yè)環(huán)境安全，而二步礦柱受采場集中應(yīng)力作用、爆破振動破壞、礦體完整性和強(qiáng)度降低等因素影響，加大了開采難度，同時二步礦柱采場兩側(cè)為充填體，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原巖強(qiáng)度，使二步礦柱開采的穩(wěn)定性大幅降低，嚴(yán)重威脅采場的作業(yè)安全[2]。因此，二步礦柱與一步礦房的開采環(huán)境相差較大，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)選分析，從而保證二步礦柱安全高效開采。

1工程背景

羅河鐵礦是大型地下礦山，礦體呈似層狀、平緩?fù)哥R狀[3]。礦體埋藏在-382～-846 m，傾伏角為3°～12°，東淺西深，距地表最淺425 m，最深856 m；礦床西邊緣由于受F001斷層影響，深達(dá)910 m。鐵礦體共有8個，其中Ⅰ#、Ⅱ#為主礦體，礦體厚大，空間形態(tài)復(fù)雜，礦區(qū)范圍廣，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育。

羅河鐵礦地表設(shè)施復(fù)雜，有村莊、公路、河塘、農(nóng)田等，礦區(qū)東側(cè)有合肥到銅陵的高速公路，北部有河塘等，地表第四系厚度中等，礦體上方有含水豐富的次生石英巖巖體，局部區(qū)域有硬石膏礦等[3]。因此，根據(jù)各區(qū)段礦體的賦存條件，Ⅱ縱勘探線以北礦體大部分適合采用垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法，邊角部分采用點(diǎn)柱上向分層充填法或中深孔分段空場嗣后充填采礦法；Ⅱ縱勘探線以南礦體大部分適合采用中深孔分段空場嗣后充填采礦法，邊角部分采用點(diǎn)柱上向分層充填法。本文針對Ⅱ縱勘探線以南礦體中深孔分段空場嗣后充填采礦中二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

2二步采場參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1巖石力學(xué)參數(shù)

磁鐵礦體主要賦存在膏灰?guī)r與堿性長石巖中。礦區(qū)發(fā)育的巖體主要為凝灰質(zhì)粉砂巖、粗安巖、凝灰?guī)r、次生石英巖、硬石膏礦、膏灰?guī)r、堿性長石巖、蝕變粗安巖及復(fù)屑細(xì)火山角礫巖等。礦體上部巖體性質(zhì)變化較大，巖塊強(qiáng)度較高，裂隙發(fā)育，局部受高嶺土化、綠泥石化影響，致使巖石結(jié)構(gòu)松軟，強(qiáng)度降低。礦體底板一般為較致密堅(jiān)硬的堿性長石巖、膏灰?guī)r，裂隙不發(fā)育，巖心完整。通過對礦區(qū)巖體工程地質(zhì)調(diào)查、上下盤巖石取樣測試及充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，得出礦區(qū)巖體和充填體力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1　礦巖與充填體物理力學(xué)參數(shù)

2.2采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

通過分析對比國內(nèi)采用上向進(jìn)路充填采礦法的相關(guān)礦山經(jīng)驗(yàn)和參照目前羅河鐵礦開采的實(shí)際情況，采場模擬選擇一步采場寬20 m，采場高15 m。

為了確定二步采場合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)羅河鐵礦分段充填采礦法開采特點(diǎn)與一步采場開采的穩(wěn)定情況，二步采場寬取16，18，20 m，具體模擬方案見表2。

表2　進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案

2.3計(jì)算模型建立

參照現(xiàn)有采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮4～5倍開挖直徑為其影響區(qū)域，即采場圍巖范圍。因此，模型分為4個部分，分別是采場上覆荷載、一步采場充填體、采場礦體及采場底板，計(jì)算模型見圖1。

2.4數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

研究表明，二步采場頂板主要有2種破壞形式[4]：一是上部荷載作用較大而發(fā)生較大變形及破壞；二是開采后頂板拉應(yīng)力超出其自身極限抗拉強(qiáng)度而發(fā)生拉伸破壞。本文主要分析不同跨度二步采場開采過程中頂板的位移和應(yīng)力變化，從而優(yōu)選出合理的采場參數(shù)。

圖1　進(jìn)路計(jì)算模型

2.4.1應(yīng)力分析

不同跨度的二步采場頂板應(yīng)力云圖見圖2?？芍?，當(dāng)采場跨度為16 m時，采場頂板的中部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，且其分布區(qū)域較少；當(dāng)采場跨度為18 m時，采場頂板出現(xiàn)明顯的最大拉應(yīng)力區(qū)，且其分布區(qū)域占采場頂板的30%；當(dāng)采場跨度為20 m時，采場頂板的最大拉應(yīng)力區(qū)非常明顯，且其分布區(qū)域占采場頂板的90%，采場頂板的巖石將發(fā)生拉伸破壞，頂板垮塌或冒頂，嚴(yán)重威脅采場安全。

圖2　各方案二步采場頂板應(yīng)力云圖

不同跨度的二步采場開挖過程中頂板應(yīng)力變化見圖3。可知，隨著二步采場跨度的逐漸增大，頂板最大拉應(yīng)力也逐漸增大，且頂板最大拉應(yīng)力的變化率逐漸變大，當(dāng)采場寬度由16 m變?yōu)?8 m時，其增幅為0.11 MPa/m；當(dāng)采場寬度由18 m變?yōu)?0 m時，其增幅為0.23 MPa/m；當(dāng)采場跨度為20 m時，采場頂板最大拉應(yīng)力為2.61 MPa，超出了頂板極限抗拉強(qiáng)度，頂板易發(fā)生拉伸破壞而威脅采場安全。

圖3　各方案采場頂板最大拉應(yīng)力變化特征

2.4.2位移分析

不同跨度的二步采場頂板位移云圖見圖4?？芍?，當(dāng)采場跨度為16m時，頂板中部最大位移量為20mm，其分布區(qū)域在采場頂板較少；當(dāng)采場跨度為18m時，頂板最大位移量為28mm，其分布區(qū)域覆蓋采場頂板，沉降均勻；當(dāng)采場跨度為20m時，頂板最大位移量為40mm，其分布區(qū)域占采場寬度的1.8倍，采場頂板與圍巖均產(chǎn)生變形，巖石易脫離而導(dǎo)致頂板垮塌或冒頂，對采場安全生產(chǎn)造成威脅。同時，采場底部出現(xiàn)較為明顯的底鼓，但其底鼓的位移量較小，對生產(chǎn)安全的影響較小。

不同跨度的二步采場開挖過程中頂板位移變化見圖5?？芍S著二步采場跨度的逐漸增大，頂板最大位移量也逐漸增大，且頂板位移的變化率逐漸變大，當(dāng)采場寬度由16 m變?yōu)?8 m時，頂板位移量增幅為4 mm/m；當(dāng)采場寬度由18 m變?yōu)?0 m時，頂板位移量增幅為6 mm/m；當(dāng)采場跨度為20 m時，采場頂板最大位移量達(dá)40 mm。根據(jù)國內(nèi)外礦山開采實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知[5]，當(dāng)采場寬度較大時，采場頂板的位移量接近或超過50 mm時，其自身穩(wěn)定性較差。

圖4　各方案采場頂板位移云圖

圖5　各方案采場頂板最大位移變化特征

3結(jié)論

(1)從應(yīng)力分析結(jié)果可知，二步采場頂板的拉應(yīng)力及其變化率呈逐漸增長趨勢，且當(dāng)二步采場跨度為20 m時，頂板最大拉應(yīng)力達(dá)2.61 MPa，超出了其自身極限抗拉強(qiáng)度，且其分布區(qū)域占采場頂板的90%，頂板易發(fā)生拉伸破壞而導(dǎo)致采場安全性差。

(2)從位移分析結(jié)果可知，二步采場頂板的位移量及其變化率呈逐漸增長趨勢，且當(dāng)二步采場跨度為20 m時，頂板最大位移量達(dá)40 mm，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判別，采場頂板易出現(xiàn)局部冒落，自穩(wěn)性較差。

(3)綜合考慮礦山采場生產(chǎn)能力和安全性要求，建議二步采場跨度為18 m，高度為15 m。

參考文獻(xiàn)

[1]古德生,李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[2]劉志義,侯金亮,趙國彥,等.二步采場上盤圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用[J].金屬礦山,2015(11):143-148.

[3]汪令松.羅河鐵礦富水厚大礦體采礦方法優(yōu)化選擇研究[D].長沙：中南大學(xué),2014.

[4]劉志義,張麗春,趙國彥,等.基于FLAC3D的二步采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用[J].金屬礦山,2015(10):6-10.

[5]周碧輝.四川漢源高品質(zhì)石膏礦低貧化地下開采研究[D].長沙：中南大學(xué),2014.

(收稿日期2016-02-29)

郟威(1988—),男,助理工程師,231562 安徽省廬江縣。