羅云龍

(貴州省地礦局104地質(zhì)大隊(duì))

小壩磷礦礦區(qū)地貌類型屬構(gòu)造剝蝕為主的低中山，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，但無巨大的構(gòu)造破碎帶通過礦段。礦區(qū)以傾斜中厚礦體為主，礦體頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固性一般，局部較破碎。在前期生產(chǎn)中，由于礦體較破碎，采場(chǎng)穩(wěn)定性不佳，造成大量的礦石損失，回收率僅約60%。為保障回釆安全，上中段與下中段之間預(yù)留了大量保安頂柱，造成了大量?jī)?yōu)質(zhì)資源嚴(yán)重浪費(fèi)。為此，采用無間柱連續(xù)分段充填法作為礦區(qū)主要的采礦方法[1-5]。本研究采用FLAC3D軟件，對(duì)該礦采場(chǎng)跨度進(jìn)行優(yōu)選，為實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開采提供可靠依據(jù)。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)礦體特征構(gòu)建的數(shù)值模型長(zhǎng)200 m，100 m(圖1)。本研究數(shù)值模擬主要從礦體走向上進(jìn)行采場(chǎng)跨度優(yōu)化，當(dāng)?shù)V體傾角較緩時(shí)，采場(chǎng)跨度可取15～25 m，故選擇跨度分別為15，20，25 m 3種情況對(duì)礦體開采進(jìn)行研究。選擇相鄰的3個(gè)連續(xù)采場(chǎng)作為1個(gè)模擬單元，開采順序均為由兩側(cè)向中間回采，即在采完兩側(cè)的采場(chǎng)并充填后再回采中間采場(chǎng)。模型邊界條件中地應(yīng)力根據(jù)實(shí)際情況近似加載，即豎直方向應(yīng)力由添加的1.3 MPa應(yīng)力和自重應(yīng)力組成，水平方向以側(cè)壓力系數(shù)為1.8添加水平構(gòu)造應(yīng)力，模型底部為固定邊界。模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。本研究首先對(duì)某一跨度下的采場(chǎng)開挖過程進(jìn)行分析，了解在開挖過程中采場(chǎng)周邊巖體的力學(xué)特征，然后對(duì)不同采場(chǎng)跨度的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而確定合理的采場(chǎng)跨度。

圖1 采場(chǎng)數(shù)值模型

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 采場(chǎng)開挖過程

當(dāng)采場(chǎng)跨度為20 m時(shí)，分析圖2～圖4可知：

(1)在采場(chǎng)開挖后，采場(chǎng)頂板受拉明顯，頂板中部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，但間隔采場(chǎng)之間的相互影響較小，說明由采場(chǎng)兩端向中部開挖對(duì)頂板穩(wěn)定性較有利。采場(chǎng)開挖后，兩幫圍巖受壓明顯，尤其當(dāng)兩側(cè)采場(chǎng)開挖后，中間未開挖的采場(chǎng)礦巖受到明顯的壓應(yīng)力作用。充填采場(chǎng)后，頂板及兩幫受力條件均得到了改善，應(yīng)力值有所減小。在頂板與兩幫的連接處，圍巖有明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采場(chǎng)拐角處也有明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。這2種應(yīng)力集中現(xiàn)象均與理論分析和采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況相符，故減小應(yīng)力集中是改善采場(chǎng)安全性的重要途徑。

(2)采場(chǎng)形成后，頂板出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，是由于采場(chǎng)開挖實(shí)質(zhì)是1個(gè)卸荷過程，這一過程相當(dāng)于去除了對(duì)頂板的支撐，頂板的受力情況由體模型向板模型發(fā)生轉(zhuǎn)變。充填可明顯改善頂板沉降現(xiàn)象，充填可視為開挖的一個(gè)逆過程，但在實(shí)際情況中，充填體難以提供給頂板足夠的支承力，故頂板已發(fā)生的位移沉降不會(huì)改變，充填僅能改善頂板的后續(xù)變形狀況。

(3)采場(chǎng)形成后，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在采場(chǎng)各角落以及頂板處，隨著后續(xù)開挖的進(jìn)行，采場(chǎng)兩幫和底板也出現(xiàn)了塑性區(qū)，充填后塑性區(qū)并未發(fā)生較明顯的變化。采場(chǎng)不同位置的主要破壞形式各不相同，各角落主要表現(xiàn)為剪切破壞，頂?shù)装鍨槔炱茐模瑑蓭蛶r體既有剪切破壞又有剪切拉伸復(fù)合破壞。

圖2 最大主應(yīng)力變化云圖

圖3 豎向位移變化云圖

圖4 塑性區(qū)變化云圖

2.2 不同采場(chǎng)跨度對(duì)比分析

2.2.1 應(yīng)力分析

分析圖5可知：隨著采場(chǎng)跨度的增大，采場(chǎng)頂板的受拉現(xiàn)象越明顯，15，20，25 m跨度對(duì)應(yīng)的頂板最大拉應(yīng)力分別為0.19，0.27，0.51 MPa，前兩者均小于頂板圍巖的抗拉強(qiáng)度，后者大于頂板圍巖的抗拉強(qiáng)度，表明采場(chǎng)跨度為25 m時(shí)，采場(chǎng)頂板極有可能發(fā)生拉伸破壞。

由圖6可知：采場(chǎng)跨度越大，采場(chǎng)角落的應(yīng)力集中越明顯，15，20，25 m跨度對(duì)應(yīng)的圍巖最大壓應(yīng)力分別為6.4，6.7，7.2 MPa，三者均小于圍巖的抗壓強(qiáng)度，不足以造成采場(chǎng)圍巖發(fā)生屈服破壞。

2.2.2 位移分析

由圖7可知：采場(chǎng)跨度的越大，頂板沉降越明顯，底鼓也相應(yīng)增加，但增幅較小。15，20，25 m跨度對(duì)應(yīng)的頂板沉降值分別為3.04，3.96，5.68 cm。

圖5 最大主應(yīng)力變化云圖

圖6 最小主應(yīng)力變化云圖

圖7 豎向位移變化云圖

由于地應(yīng)力較小，底板的底鼓現(xiàn)象不明顯，在實(shí)際工作中可忽略不計(jì)。

2.2.3 塑性區(qū)分析

分析圖8可知：隨著采場(chǎng)跨度增大，塑性區(qū)范圍也逐漸增大，采場(chǎng)跨度為25 m時(shí)，兩幫巖體中出現(xiàn)了大范圍的剪切破壞區(qū)域，此外，采場(chǎng)頂?shù)装宄霈F(xiàn)了受拉破壞，拐角處出現(xiàn)了剪切破壞。

圖8 塑性區(qū)變化云圖

3 結(jié) 論

(1)小壩磷礦采場(chǎng)頂?shù)装逡资芾炱茐模战菓?yīng)力集中明顯，易發(fā)生剪切破壞，兩幫巖體主要表現(xiàn)為剪切與拉伸共同作用的復(fù)合破壞形式。

(2)充填有利于改善采場(chǎng)圍巖受力情況，也有助于減小采場(chǎng)的后續(xù)變形。

(3)綜合考慮采場(chǎng)應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)分布特征，并維持礦山較高的生產(chǎn)能力，最優(yōu)的采場(chǎng)跨度應(yīng)為20 m。