田迎春,范文錄,馬 東,謝盛青,宮國慧,陳小偉,李宗武,王懷勇,胡世超,傅利民(.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司,遼寧 遼陽007;.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京00038)

1 前言

弓長嶺鐵礦位于遼寧省遼陽市弓長嶺區(qū)蘇家街道,北距沈陽70 km,西北距遼陽市39 km,礦區(qū)交通十分便利。弓長嶺鐵礦目前采用采礦方法主要為無底柱分段崩落法,為解決礦山面臨的采礦損失率和貧化率大等問題,研究采用充填法開采,開采示意圖如圖1所示。

圖1 弓長嶺充填法開采示意圖

弓長嶺鐵礦自西向東被劃分為三個區(qū)段,西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)。中央?yún)^(qū)分為上含鐵帶采區(qū)和下含鐵帶采區(qū),上下含鐵帶間隔最近接近10 m,上鐵帶平均厚度為15 m,下鐵帶平均厚度為10 m,鐵礦層總體走向120° ～160°,北東傾,平均傾角70°。根據(jù)類似礦山生產(chǎn)條件,設(shè)計上鐵帶采場跨度為20 m,下鐵帶采場跨度為25 m。由于上下鐵礦層間隔距離較近,下鐵帶礦體開采必然對上鐵帶的巖層及充填體產(chǎn)生影響,難以確保中間隔離巖柱及充填體的穩(wěn)定性,因此需通過數(shù)值分析進(jìn)一步予以驗證[1]。

研究采用有限差分程序FLAC3D5.0[2]建立弓長嶺鐵礦上下鐵帶開采模型,對給定的設(shè)計采場參數(shù)下的礦體分別進(jìn)行不充填開采及充填開采穩(wěn)定性分析研究,驗證上下鐵礦層開采穩(wěn)定性,為礦山安全開采提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模型

數(shù)值分析的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型,包括計算模型的真實度、應(yīng)力條件、巖體力學(xué)參數(shù)及其破壞準(zhǔn)則等[3]。

2.1 初始地應(yīng)力

根據(jù)《弓長嶺井下鐵礦地應(yīng)力測量研究報告》應(yīng)力數(shù)據(jù)成果,弓長嶺礦區(qū)地應(yīng)力場分布具有以下規(guī)律:各測點最大主應(yīng)力近水平方向;5 個測點中最大水平主應(yīng)力值是自重應(yīng)力的1.6 ～2 倍,說明井下鐵礦地應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的;垂直應(yīng)力值基本上等于或微大于上覆巖層的重量,與自重應(yīng)力的比值為0.98 ～ 1.02。最大水平主應(yīng)力(σhmax)、最小水平主應(yīng)力(σhmin)和垂直主應(yīng)力(σv)均隨深度(H)呈近似線性增長的關(guān)系,線性回歸方程為

式中:H——埋深,m。

2.2 本構(gòu)模型

巖體開挖后,圍巖內(nèi)發(fā)生應(yīng)力重分布,周邊附近是應(yīng)力集中帶。假定圍巖呈彈塑性變形,可用莫爾-庫侖強(qiáng)度理論建立其屈服條件為

式中:δr、δθ——圍巖發(fā)生屈服破壞時的徑向、切向應(yīng)力;

Cm、φm——巖體的黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角。

2.3 礦巖力學(xué)參數(shù)

弓長嶺鐵礦礦巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 弓長嶺鐵礦礦巖力學(xué)參數(shù)

2.4 數(shù)值模型

根據(jù)弓長嶺鐵礦礦體特征,通過建立兩條礦帶模型,模擬兩條礦帶先后開采的應(yīng)力變化情況。模型當(dāng)中,礦體傾角均設(shè)為70°,開挖過程為先開采上礦帶,采場開采后充填,之后對下礦帶進(jìn)行開采,并充填,采場跨度為25 m。為便于結(jié)果對照分析,同時進(jìn)行上下礦帶開采后不充填模擬,并與充填開采過程所得結(jié)果進(jìn)行對比分析。計算模型如圖2所示。

圖2 整體模型和礦體模型

3 結(jié)果分析

3.1 不充填計算結(jié)果

根據(jù)圖3a 最大主應(yīng)力結(jié)果,若開采過程中不充填,最大主應(yīng)力達(dá)到42 MPa 以上,巖體所受壓應(yīng)力過大則容易產(chǎn)生剪切破壞;圖3b 所示為最小主應(yīng)力結(jié)果,最小主應(yīng)力超過部分巖體的抗壓強(qiáng)度,且達(dá)到0.9 MPa 以上,由于巖體在受拉時,極易發(fā)生受拉破壞,因此不充填開采,采場明顯無法滿足穩(wěn)定性要求。

圖3 上下鐵帶開采最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力計算結(jié)果

圖4a 所示為垂直位移計算結(jié)果,圖4b 所示為塑性區(qū)分布結(jié)果。從圖中可看出,垂直位移大幅增加,上盤巖體的垂直位移達(dá)到84 mm,且隨著采場逐步開采,垂直位移呈線性增加的趨勢;從塑性區(qū)分布來看,采場不充填,上下盤圍巖塑性區(qū)分布擴(kuò)展范圍大,尤其是中間巖柱塑性區(qū)已全部貫通,這是由于中間巖柱受到較大的應(yīng)力集中影響,易發(fā)生剪切破壞,因此,采場不充填不利于上下鐵帶間巖柱的穩(wěn)定。

圖4 上下鐵帶開采垂直位移與塑性區(qū)分布結(jié)果

3.2 充填開采計算結(jié)果

根據(jù)圖5a 最大主應(yīng)力結(jié)果,在上礦帶采場開采后并及時充填直至下礦帶開采過程模擬中,礦巖體最大主應(yīng)力均未超過巖體抗壓強(qiáng)度,充填體起到很好的支撐作用;根據(jù)圖5b 最小主應(yīng)力結(jié)果,在上礦帶開采充填后,下礦帶開采過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力為0.21 MPa,小于巖體抗拉強(qiáng)度。以上結(jié)果對比不充填開采,礦巖受力情況得到明顯改善,且說明采用上述采場結(jié)構(gòu)參數(shù)合理可行。

圖5 上下鐵帶開采最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力計算結(jié)果

根據(jù)圖6a 為垂直位移計算結(jié)果,圖6b 所示為塑性區(qū)分布結(jié)果。隨著下礦帶開采,上礦帶豎直位移有一定增加,但由于充填體的支撐作用,豎直位移增加量并不大,說明充填體起到較好的支撐作用;從塑性區(qū)結(jié)果來看,隨著下礦帶采場逐步開采,塑性區(qū)分布范圍開始變大,由于充填體力學(xué)強(qiáng)度較小,在下礦帶采場逐步開采過程中,充填體受力逐漸增大,因此充填體容易發(fā)生剪切受拉破壞。此時上下礦帶中間的巖柱由于應(yīng)力集中影響,塑性區(qū)范圍逐漸增大,但未完全貫通,說明充填開采可以維持上下礦帶開采采場的穩(wěn)定。

圖6 上下鐵帶開采垂直位移與塑性區(qū)分布結(jié)果

4 結(jié)論

通過對弓長嶺鐵礦上下含鐵帶開采數(shù)值分析,并對比不充填開采結(jié)果,驗證了上下鐵礦層充填開采下采場的穩(wěn)定性,主要結(jié)論有:

(1)上下礦層開采后不充填時,上下鐵帶隔離巖柱產(chǎn)生的塑性發(fā)生貫通,主要為剪切塑性區(qū),說明中間隔離巖柱受壓應(yīng)力較大已發(fā)生剪切破壞;上盤巖體則存在較多受拉塑性區(qū),說明巖體受拉應(yīng)力破壞,且通過最小主應(yīng)力可知,巖體所受拉應(yīng)力接近1 MPa。

(2)上鐵帶采空區(qū)及時充填后,中間隔離巖柱存在的塑性區(qū)不發(fā)生貫通,且上盤巖體所受拉應(yīng)力較小,巖柱及采場周邊巖體基本可維持穩(wěn)定。

(3)由于充填體力學(xué)強(qiáng)度較小,在下礦帶采場逐步開采過程中,充填體受力逐漸增大,充填體容易發(fā)生剪切受拉破壞,因此在下礦帶采場開采到一定數(shù)量時,建議將采場跨度適當(dāng)降低來進(jìn)一步保證頂板的穩(wěn)定性。