周富華 徐學(xué)員 徐宏偉

(1.吉林板廟子礦業(yè)有限公司；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第十地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院)

內(nèi)蒙古某鉛鋅礦隨著開(kāi)采深度加大，安全管理和成本問(wèn)題越發(fā)突出，特別是在開(kāi)采700 m標(biāo)高以下的礦體，必須采用三級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)提升方式，開(kāi)采難度加大，考慮到礦山資源儲(chǔ)量較大，礦石開(kāi)采價(jià)值高，服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)礦山進(jìn)行整體規(guī)劃和技術(shù)改造十分必要[1-3]。為確保該礦山安全高效開(kāi)采，本研究以位于150 m水平、二采區(qū)范圍內(nèi)的礦房為例，通過(guò)采用MIDAS-FLAC3D耦合建模數(shù)值模擬分析方法，通過(guò)討論采場(chǎng)上下盤(pán)圍巖及礦柱的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)情況，進(jìn)行采場(chǎng)穩(wěn)定性分析，并對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某鉛鋅礦為脈狀銀鉛鋅多金屬礦床，礦區(qū)共圈定了40條礦體(其中銀鉛鋅礦體38條，硫礦體2條)，礦體賦存于下二疊統(tǒng)地層與華力西晚期巖體的接觸帶和蝕變構(gòu)造帶等堅(jiān)硬類(lèi)巖石下方，埋藏標(biāo)高1 105～452 m 。礦體傾向不定，礦體厚一般為數(shù)米至數(shù)十米，礦體形態(tài)簡(jiǎn)單，礦帶延長(zhǎng)、延深均較大，均達(dá)數(shù)百米。深部礦體局部段圍巖受構(gòu)造影響，有碎裂巖化和泥化現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)中遇有上述松散(軟)地層時(shí)需進(jìn)行必要的支護(hù)工作。大部分地段圍巖穩(wěn)定性中等—良好，礦體頂?shù)装鍑鷰r比較穩(wěn)定。礦區(qū)總體上工程地質(zhì)條件良好，工程勘查類(lèi)型為Ⅲ類(lèi)，勘探復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單型。

該礦采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法(鏟運(yùn)機(jī)出礦)生產(chǎn)，沿走向劃分為規(guī)則的礦房和礦柱，回采按“隔一采一”方式先采礦柱、后采礦房，一步驟回采礦柱采用嗣后全尾砂膠結(jié)充填，二步驟回采礦房采用尾砂或廢石低標(biāo)號(hào)膠結(jié)充填。一、二步驟嗣后充填采場(chǎng)分別在頂部6～8 m高地段和底部約16 m高地段采用灰砂質(zhì)量比為1∶4的膠結(jié)料充填空區(qū)；一步驟采場(chǎng)除頂?shù)字獾钠溆嗟囟尾捎没疑氨葹?∶8 的膠結(jié)料充填空區(qū)；二步驟采場(chǎng)除頂?shù)字獾钠溆嗟囟尾捎没疑氨葹?∶15的膠結(jié)料充填空區(qū)。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)巖石力學(xué)基礎(chǔ)資料，結(jié)合巖石質(zhì)量指標(biāo)評(píng)分，并與多個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比，利用RocDate軟件進(jìn)行了巖體物理力學(xué)參數(shù)折減，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 實(shí)體及網(wǎng)格模型構(gòu)建

在考慮礦房開(kāi)挖的情況下，分析礦房上下盤(pán)的穩(wěn)定性情況，研究范圍為1個(gè)盤(pán)區(qū)，包括3個(gè)礦柱和2個(gè)采場(chǎng)，長(zhǎng)110 m、寬20 m、高90 m。根據(jù)圣維南原理，本研究構(gòu)建的MIDAS-FLAC3D耦合模型為研究區(qū)范圍的3～5倍，模型長(zhǎng)600 m、寬200 m、高360 m、距離地表90～180 m，設(shè)置模型的X、Y方向和底邊界均施加位移約束條件，上邊界為自由邊界[4-7]。礦體為急傾斜礦體，礦體平均厚度約20 m，設(shè)置采場(chǎng)及礦柱厚度為2 m，礦體厚度為20 m，圍巖厚度為40 m，以此來(lái)控制網(wǎng)格單元尺寸(圖1)。

2.3 模擬方案與開(kāi)挖順序

本研究對(duì)該礦二采區(qū)采場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)了礦柱寬度為10 m和15 m 2種方案，礦塊長(zhǎng)度和高度分別為為50 m和90 m，方案參數(shù)取值見(jiàn)表2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表2 計(jì)算方案參數(shù)取值

回采礦房的礦柱布置形式如圖2所示，模擬開(kāi)挖順序?yàn)椋孩俜?個(gè)步驟回采礦柱，采用嗣后全尾砂膠結(jié)充填方法，即回采1#、4#、7#礦柱，回采8#、11#、14#礦柱，回采15#、18#、21#礦柱，礦柱回采完畢后采用全尾沙進(jìn)行一次性膠結(jié)充填；②分4個(gè)步驟回采礦房，采用尾沙或廢石低標(biāo)號(hào)膠結(jié)充填，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法生產(chǎn)的下中段回采進(jìn)度超前于上中段，即回采2#礦體，3#、9#礦體，10#、16#礦體，17#礦體，礦房回采完畢后，使用灰砂質(zhì)量比為1∶4的膠結(jié)料充填采場(chǎng)采空區(qū)底部，高度為10 m，采用灰砂比為1∶15的膠結(jié)充填料充填剩余采空區(qū)，高度為80 m。

圖2 礦房礦柱布置示意

3 采場(chǎng)上下盤(pán)穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

該礦采場(chǎng)穩(wěn)定性取決于上下盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性。本研究模擬分析以采場(chǎng)巖體工程破壞依據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)研究礦房礦柱開(kāi)挖的每個(gè)步驟中采空區(qū)上下盤(pán)拉壓應(yīng)力、頂?shù)装逦灰?、塑性區(qū)情況，判別采場(chǎng)穩(wěn)定性，進(jìn)而優(yōu)選采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。2種礦柱方案對(duì)應(yīng)的礦柱一步開(kāi)挖過(guò)程的拉壓應(yīng)力、位移和塑性區(qū)情況如圖3、圖4所示。

分析圖3及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果可知：礦柱一步回采過(guò)完后，下盤(pán)與頂板交接處出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到最大壓應(yīng)力16.22 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)上下盤(pán)和底板位置，達(dá)到0.21 MPa，呈現(xiàn)條帶狀分布，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到礦巖抗拉強(qiáng)度，因而不會(huì)對(duì)采空區(qū)造成較大影響；頂板最大下沉量為9.05 mm，底板最大上鼓量為8.80 mm，根據(jù)采礦巖體工程破壞依據(jù)中的容許極限位移量判據(jù)，確定位移在許可范圍內(nèi)，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性不造成影響；采空區(qū)的塑性區(qū)主要集中于頂板，在下盤(pán)也有少部分塑性區(qū)，塑性區(qū)為剪切拉伸破壞所致，呈零星片狀分布，未貫通，與采場(chǎng)頂板出現(xiàn)少量冒頂與圍巖出現(xiàn)偏旁現(xiàn)象比較吻合，屬于采場(chǎng)開(kāi)挖后的正?，F(xiàn)象，在開(kāi)挖過(guò)后加強(qiáng)頂板支護(hù)工作即可。隨著礦柱二步和三步開(kāi)挖，壓應(yīng)力依然集中于上盤(pán)圍巖頂板交界、下盤(pán)圍巖與底板交界處，最大壓應(yīng)力達(dá)到15.10，14.31 MPa，拉應(yīng)力在上下盤(pán)均達(dá)到最大值0.21，0.24 MPa，不影響采空區(qū)穩(wěn)定性。頂板下沉量稍微減小，達(dá)到8.25，6.10 mm，底板上鼓量稍有增加，達(dá)到9.28，9.54 mm，塑性區(qū)零星分布于下盤(pán)圍巖和采場(chǎng)底部，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行噴漿支護(hù)，避免圍巖進(jìn)一步發(fā)生破壞，對(duì)采場(chǎng)整體穩(wěn)定性影響不大。礦柱進(jìn)行嗣后膠結(jié)充填后，圍巖中的拉壓應(yīng)力明顯降低，最大值分別為11.79，0.08 MPa，頂?shù)装逦灰埔呀?jīng)得到控制，數(shù)值大小基本保持不變。在礦柱開(kāi)挖的3個(gè)過(guò)程中，最大壓應(yīng)力約15 MPa，拉應(yīng)力約0.2 MPa，頂?shù)装逦灰戚^小，塑性區(qū)零星分布，但較15 m礦柱有少量增加，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性有一定影響，需及時(shí)支護(hù)，礦柱采空區(qū)上下盤(pán)穩(wěn)定性良好。

圖3 方案一一步開(kāi)挖X=300 m采場(chǎng)穩(wěn)定性情況

圖4 方案二一步開(kāi)挖X=300 m對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)穩(wěn)定性情況

分析圖4及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果可知：礦柱一步回采完畢后，壓應(yīng)力集中于采空區(qū)角，達(dá)到21.87 MPa，圍巖平均壓應(yīng)力約7.5 MPa，遠(yuǎn)小于礦巖抗壓強(qiáng)度，拉應(yīng)力集中分布于礦房頂板位置，達(dá)到0.39 MPa，小于圍巖抗拉強(qiáng)度，圍巖基本不會(huì)發(fā)生拉伸破壞；最大位移發(fā)生于礦房上盤(pán)和頂板位置，達(dá)到12.28 mm，礦房下盤(pán)和底板下沉量為11.82 mm，均小于22 mm，位移對(duì)巖體穩(wěn)定基本不構(gòu)成影響；塑性區(qū)呈現(xiàn)零星狀分布，在頂?shù)装逵猩倭考鞋F(xiàn)象，在開(kāi)挖過(guò)后應(yīng)進(jìn)行頂板支護(hù)，可避免塑性區(qū)的影響。隨著礦柱進(jìn)一步回采，拉壓應(yīng)力基本保持不變，拉壓應(yīng)力集中分布于采空區(qū)上下盤(pán)位置。需要注意的是：在圍巖較破碎時(shí)，可能會(huì)引起圍巖片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，需要在爆破時(shí)注意保持圍巖的整體性，可采用光面爆破形式，減小爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。頂板下沉位移呈減小趨勢(shì)，底板上鼓量基本保持不變，位移對(duì)巖體穩(wěn)定性不造成影響。在礦柱三步回采，即礦柱全面開(kāi)挖后，頂板出現(xiàn)片狀塑性區(qū)，在進(jìn)行及時(shí)支護(hù)后，采空區(qū)可以保持良好的穩(wěn)定性。

3.2 礦柱長(zhǎng)度優(yōu)選

2種方案回采過(guò)程中的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、頂?shù)装逦灰频葏?shù)和塑性區(qū)形狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2種方案回采過(guò)程中的最大應(yīng)力、位移和塑性區(qū)參數(shù)

分析表3可知：

(1)2種方案對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在15 m礦柱回采完畢后，達(dá)到21.91 MPa，未達(dá)到礦巖抗壓強(qiáng)度的2/3，其余壓應(yīng)力均小于21.91 MPa，采空區(qū)穩(wěn)定性良好。2種方案對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在15 m礦柱一步回采后，達(dá)到0.39 MPa，尚未達(dá)到礦巖抗拉強(qiáng)度的1/2，采空區(qū)穩(wěn)定性良好。頂板最大下沉量最大出現(xiàn)在15 m礦柱一步開(kāi)挖時(shí)，達(dá)到12.28 mm，底板最大上鼓量出現(xiàn)在15 m礦柱三步開(kāi)挖后，達(dá)到12.93 mm，根據(jù)容許極限位移判據(jù)，位移對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性不造成影響。在10 m礦柱和15 m 礦柱一步開(kāi)挖后，頂板均出現(xiàn)片狀塑性區(qū)，施工時(shí)需注意開(kāi)挖完成后對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，防止塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大造成頂板塌落。

(2)15 m礦柱的拉壓應(yīng)力、頂?shù)装逦灰?、塑性區(qū)體積基本大于10 m礦柱，表明10 m礦柱的各項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)。壓應(yīng)力隨著采場(chǎng)開(kāi)挖基本不變，拉應(yīng)力有減小趨勢(shì)，頂板下沉量逐漸減小，底板上鼓量逐漸增加，塑性區(qū)增加較明顯，符合采場(chǎng)實(shí)際情況，但為確保圍巖穩(wěn)定，需及時(shí)支護(hù)，方可保持采空區(qū)穩(wěn)定。

(3)在礦柱礦房完成膠結(jié)充填后，圍巖拉壓應(yīng)力、頂板位移量較充填前有較大幅度減小，表明充填后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有所改善，可以有效控制頂?shù)装寮吧舷卤P(pán)位移。在開(kāi)挖完成后，需及時(shí)對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行充填，以便保持采場(chǎng)穩(wěn)定。

(4)在礦柱開(kāi)挖時(shí)，10 m礦柱方案(方案一)的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于15 m礦柱方案(方案二)，綜合分析采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中礦巖拉壓應(yīng)力、頂?shù)装逦灰坪退苄詤^(qū)情況，本研究推薦采用10 m礦柱方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

以?xún)?nèi)蒙古某鉛鋅礦為例，設(shè)計(jì)了礦柱長(zhǎng)度分別為10 m和15 m的2種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案(方案一、方案二)，并采用MIDAS-FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。研究表明：方案一(10 m礦柱)和方案二(15 m 礦柱)在采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中，采空區(qū)的拉壓應(yīng)力、位移和塑性區(qū)情況良好，采取支護(hù)措施后，采場(chǎng)穩(wěn)定性良好。2種方案均可作為備選方案，但考慮到礦柱采用膠結(jié)充填、成本較高的問(wèn)題，在確保安全高效開(kāi)采的前提下，推薦采用方案一，即礦柱沿走向長(zhǎng)度10 m、采場(chǎng)沿走向長(zhǎng)度40 m、采場(chǎng)寬度20 m、階段高度90 m為采場(chǎng)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。