曾佳龍，朱陽亞，周勇，郭旺，鄒多利

(中藍(lán)長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

湖北宜昌某磷礦的含磷礦層賦存于震旦系陡山沱組中下部地層中，在礦區(qū)內(nèi)為隱伏磷礦層,沿走向控制的長度約4000 m，沿傾向控制的寬度約3000 m，賦存標(biāo)高為?164.307（ZK1101）m～406.602（ZK507）m，埋深570.15（ZK101）m～879.40（ZK1101）m，呈似層狀～透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀平緩，傾角7°～11°。Ⅰ號礦體分布區(qū)南采區(qū)為首采區(qū)，礦體沿走向長度約1600 m，沿傾向?qū)挾燃s2000 m，賦存標(biāo)高為44.438～422.578 m，埋深569.87～859.26 m，均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面（545.20 m）以下，屬典型的隱伏礦床，礦層總體傾向北東，傾角4°～13°。由于礦體埋藏較深，同類型礦山在湖北地區(qū)開采實(shí)例較少，無可提供參考借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。本文借助有限元軟件Midas-GTS 對七里沖磷礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬，研究分析普通點(diǎn)柱法和條帶嗣后充填法兩種采礦方法不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下，頂?shù)装寮暗V柱的應(yīng)力應(yīng)變情況，為礦山科學(xué)確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。

1 礦山開采技術(shù)條件

礦體賦存于陡山沱組胡集段下亞段，礦層的頂板為中厚層狀細(xì)晶白云巖，厚0～9.40 m，其上為連續(xù)沉積的灰黑色含燧石扁豆體泥質(zhì)白云巖，分布穩(wěn)定，風(fēng)化后較松散，厚13.00～51.10 m；礦層的底板為中厚層狀含硅質(zhì)白云巖，厚1.15～15.10 m。礦層直接頂板為泥質(zhì)白云巖，其RQD 平均值為74%，巖石質(zhì)量等級Ⅲ級，即巖體中等完整、巖石質(zhì)量中等、巖體質(zhì)量中等；礦層直接底板為細(xì)晶白云巖，其RQD 平均值為82%，巖石質(zhì)量等級Ⅱ級。根據(jù)礦體賦存條件，較適宜的采礦方法為普通房柱法和條帶嗣后充填法。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)設(shè)定

以普通房柱采礦法及條帶嗣后充填采礦法為基礎(chǔ)建立幾何模型，分別以1 個標(biāo)準(zhǔn)礦塊為研究對象，單個礦塊走向長104 m，傾向長100 m，礦體傾角為9°。由圣維南原理可知，巖體的局部開采僅對有限范圍有明顯的影響，考慮模擬的邊界效應(yīng)，將有限元模型按所研究對象尺寸的3～5 倍建模。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案及上述研究結(jié)果，模型一為普通房柱法采礦模型，礦塊沿走向長104 m，沿傾向長100 m，礦塊間留寬4 m 的間柱，頂?shù)字刈呦虿贾?，礦房內(nèi)留規(guī)則的點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m；模型二為條帶嗣后充填法采礦模型，礦塊沿走向長104 m，沿傾向長100 m，礦塊間留寬6 m 的間柱，礦塊中沿走向間隔布置條帶礦柱、礦房，礦柱寬6 m，礦房寬8 m。劃分網(wǎng)格時，為提高礦塊點(diǎn)柱模擬結(jié)果的精密度，對內(nèi)部礦區(qū)實(shí)體采用小尺寸網(wǎng)格劃分，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖1所示。

圖1 采動模擬與穩(wěn)定性分析模型

2.2 巖體強(qiáng)度參數(shù)

本次模擬所用的礦巖力學(xué)參數(shù)由于缺乏各巖層抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比這3 項(xiàng)參數(shù)及充填料的力學(xué)參數(shù)，參考了其他礦山的相關(guān)數(shù)據(jù)。模擬所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 采用的屈服準(zhǔn)則

假設(shè)礦巖為理想彈塑性體，考慮三維主應(yīng)力對巖石抗剪強(qiáng)度的影響，以及內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力引起的屈服和體積膨脹作用，采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。

2.4 邊界條件及收斂判據(jù)

2.4.1 邊界條件

由于分析的盤區(qū)處于整個礦體中，當(dāng)?shù)V體進(jìn)行開采時，必然引起整個應(yīng)力場、應(yīng)變場的變化，所以必須從整體出發(fā)，確定分析時的邊界條件，該數(shù)值模擬計(jì)算涉及到的邊界條件主要為結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析邊界條件。其邊界條件確定如下：對位移邊界條件，模型4 個側(cè)面約束x向、z向各自由度，模型底面約束x向、y向及z向各自由度；對應(yīng)力邊界條件，主要考慮地應(yīng)力場作用，根據(jù)七里沖磷礦詳查報(bào)告，Ph2 礦層埋深為569.87～995.62 m，平均埋深約750 m，初算垂直應(yīng)力為σv=19.77 MPa。參照文獻(xiàn)《中國大陸淺層地殼實(shí)測地應(yīng)力分布規(guī)律研究》，埋深1500 m 以內(nèi)，垂直應(yīng)力σv=20.32 MPa?？梢妳⒄赵撐墨I(xiàn)計(jì)算值較為準(zhǔn)確，則本模型垂直應(yīng)力取值20.32 MPa。側(cè)壓系數(shù)亦參照該文獻(xiàn)，根據(jù)埋深取定最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為0.83，最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為0.44。

2.4.2 收斂判據(jù)

在進(jìn)行計(jì)算前，需設(shè)定計(jì)算收斂判據(jù)。本次計(jì)算采用軟件默認(rèn)收斂準(zhǔn)則：當(dāng)內(nèi)力（U）收斂容差為10?3、能量（W）收斂容差為10?6時，終止計(jì)算，認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。

2.5 開采過程模擬

2.5.1 普通房柱法采動過程模擬

根據(jù)設(shè)計(jì)的回采工藝，本模型對一個標(biāo)準(zhǔn)礦塊的開采進(jìn)行模擬分析，具體為由上礦層切割上山端部向兩端掘進(jìn)一條水平巷道，在回采過程中間隔13 m 左右掘進(jìn)下一水平的切割槽，依次進(jìn)行，在回采過程中，從切割巷道中央向兩端、沿切割上山從上往下退采，沿走向留設(shè)5 m×5 m 的規(guī)則礦柱，在礦塊四周留設(shè)寬為4 m 的連續(xù)間柱和頂?shù)字?。模擬分析結(jié)果如圖2～圖5 所示。

圖2 開采終態(tài)頂板位移云圖

圖3 開采終態(tài)頂板最大主應(yīng)力云圖

由圖2～圖5 可以看出，當(dāng)模擬一個標(biāo)準(zhǔn)礦塊采用普通房柱法回采時，上礦層直接頂板位移下沉最大值為3.82 mm，拉應(yīng)力最大值為0.67 MPa，壓應(yīng)力最大值為0.54 MPa，皆小于上礦層直接頂板的力學(xué)強(qiáng)度值，說明1 個礦塊回采完畢后，礦層直接頂板比較穩(wěn)定；點(diǎn)柱位移最大值為2.61 mm，壓應(yīng)力最大值為69.58 MPa，壓應(yīng)力極值較大，超出了抗壓強(qiáng)度，說明產(chǎn)生了壓應(yīng)力集中區(qū)域，主要集中在點(diǎn)柱四周，該區(qū)域點(diǎn)柱會產(chǎn)生塑性屈服應(yīng)變，導(dǎo)致點(diǎn)柱部分礦體碎裂脫落。根據(jù)礦柱受力區(qū)域分析，壓應(yīng)力集中區(qū)域約占礦柱總體積的20%左右，大部分點(diǎn)柱都能有效支撐直接頂板和上覆巖層，因此可以推斷整個空區(qū)不會失穩(wěn)。

圖4 開采終態(tài)點(diǎn)柱位移云圖

圖5 開采終態(tài)點(diǎn)柱最大主應(yīng)力云圖

2.5.2 條帶嗣后充填采礦法采動過程模擬

根據(jù)設(shè)計(jì)的回采工藝，本模型對一個條帶嗣后充填采礦礦塊的開采進(jìn)行模擬分析，具體為先回采條帶礦柱，待回采完所有條帶礦柱后進(jìn)行膠結(jié)充填，充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后再回采條帶礦房。所有條帶礦柱、礦房均分兩層自上而下進(jìn)行回采，先回采上分層，采完上分層后，再采下分層，礦柱條帶尺寸為6 m，礦房條帶尺寸為8 m，模擬分析結(jié)果如圖6～圖9 所示。

由圖6～圖9 可以看出，當(dāng)一個標(biāo)準(zhǔn)礦塊進(jìn)行條帶嗣后充填采礦法回采時，上礦層直接頂板位移下沉最大值為17.07 mm，拉應(yīng)力最大值為2.17 MPa，壓應(yīng)力最大值為53.64 MPa，僅礦塊頂板端部產(chǎn)生了壓應(yīng)力集中，但壓應(yīng)力集中區(qū)域較小，綜合判斷頂板較為穩(wěn)定；條帶礦柱回采完畢充填后進(jìn)行條帶礦房回采，回采完畢后條帶礦柱最大位移下沉值為16.5 mm，最大拉應(yīng)力值為0.12 MPa，壓應(yīng)力最大值為4.34 MPa，說明模擬過程中條帶充填礦柱對頂板進(jìn)行了有效支撐，并且充填體保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 開采終態(tài)頂板位移云圖

圖7 開采終態(tài)頂板最大主應(yīng)力云圖

圖8 開采終態(tài)礦柱位移云圖

圖9 開采終態(tài)礦柱最大主應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）模擬一個標(biāo)準(zhǔn)礦塊采用普通房柱法回采時，礦層直接頂板比較穩(wěn)定，壓應(yīng)力極值較大，超出了抗壓強(qiáng)度，說明產(chǎn)生了壓應(yīng)力集中，根據(jù)礦柱受力區(qū)域分析，壓應(yīng)力集中區(qū)域約占礦柱總體積的20%左右，大部分點(diǎn)柱都能有效支撐直接頂板和上覆巖層，因此可以推斷整個空區(qū)不會失穩(wěn)。

（2）模擬一個標(biāo)準(zhǔn)礦塊進(jìn)行條帶嗣后充填采礦法回采時，僅礦塊頂板端部產(chǎn)生了壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力集中區(qū)域較小，綜合判斷頂板較為穩(wěn)定，條帶充填礦柱對頂板進(jìn)行了有效支撐，充填體保持穩(wěn)定狀態(tài)。