徐永文 吳炳書 李官兵 李正燦 劉允秋

(1.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司,山東 平度 266700;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.中鋼集團(tuán)南京華忻科技有限公司,江蘇 南京 211106)

近年來,隨著礦山對安全高效開采的不斷重視,合理設(shè)置采場參數(shù)得到業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。傳統(tǒng)思路是通過經(jīng)驗類比或者根據(jù)工程相似等原理來獲取采場結(jié)構(gòu)參數(shù),但受人為主觀經(jīng)驗影響較大,難以獲取最優(yōu)參數(shù)[1-2]。近年來,隨著分析方法不斷創(chuàng)新,不少學(xué)者在采場參數(shù)優(yōu)選方法方面的研究取得了一定的進(jìn)展。葉加冕[3]以莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準(zhǔn)則為判據(jù),應(yīng)用大型三維非線性有限單元法程序3D-σ進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲取了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值;馬春德等[4]采用有限元軟件ANSYS與有限差分軟件FLAC3D的耦合思路模擬不同跨度的采場開挖方案,實現(xiàn)了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化取值;陸衛(wèi)東等[5]通過FLAC3D軟件構(gòu)建了急傾斜特厚煤層開采數(shù)值模型,模擬了開采過程中的應(yīng)力分布,分析了應(yīng)力分布規(guī)律和上分層開采對下分層卸壓的影響范圍?？傮w上,目前越來越多學(xué)者采用計算機(jī)模擬以及數(shù)值模擬軟件實現(xiàn)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,并且分析效果較理想[6-14]。

因此,針對山東黃金礦業(yè)(鑫匯)金礦雙側(cè)拋擲嗣后充填采礦方法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化難點,本研究采用FLAC3D軟件,構(gòu)建礦體及巷道模型,對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的開采方案進(jìn)行數(shù)值模擬,分析得到較為適合雙側(cè)拋擲嗣后充填采礦方法開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 礦山概況

1.1 礦山地質(zhì)條件

山東黃金礦業(yè)(鑫匯)金礦的緩傾斜極薄礦體位于-200～-240 m中段,礦體走向近SN,傾向W,傾角為0°～31°。沿走向和傾向均呈舒緩波狀延伸,具有分支復(fù)合、膨脹夾縮及尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。礦體沿走向長度為50～100m,礦體厚度為0.1～3.0m,平均厚度約0.66 m。礦體和圍巖較堅硬,除了局部構(gòu)造破壞外,一般穩(wěn)固性較好,硬度系數(shù)f=8～13,礦石密度約2.7 t/m3,松散系數(shù)為1.5,無氧化結(jié)塊現(xiàn)象。礦體平均品位為10.32 g/t,具有良好的開采條件。

1.2 礦山采礦方法

本研究針對山東黃金(鑫匯)金礦緩傾斜極薄礦體特征,設(shè)計采用雙側(cè)拋擲嗣后充填采礦法,采場長度約20 m,寬約6 m[15]。采場運輸巷、上山切割巷的斷面規(guī)格為2.3 m×2.5 m,掘進(jìn)到盤區(qū)上部位置向兩側(cè)各掘進(jìn)1.6 m,形成斷面規(guī)格為2.3m×2.5m的上盤切割槽。充填管路從充填井、經(jīng)采場運輸巷引入采場上部,一步采用灰砂比為1∶10的膠結(jié)充填,二步采用全尾砂水砂充填,充填接頂。采礦方案設(shè)計見圖1。

圖1 雙側(cè)拋擲嗣后充填采礦法Fig.1 Bilateral throw subsequent filling mining method

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)選取

巖體力學(xué)參數(shù)的正確選取是保證數(shù)值模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵,本研究采集山東黃金(鑫匯)金礦的巖塊制成標(biāo)準(zhǔn)試件,通過室內(nèi)試驗測得各項力學(xué)參數(shù),利用Hoek-Brown法進(jìn)行折減,折減后的巖體力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模擬的礦巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of ore rock in numerical simulation

2.2 模型邊界條件設(shè)置

參考(鑫匯)金礦已有的地應(yīng)力測量資料,本研究數(shù)值模擬分析中地應(yīng)力σv采用靜水壓力公式進(jìn)行計算:式中,γ為礦巖容重,kN/m3;H為深度,m;σv為地應(yīng)力,kPa。

根據(jù)礦體賦存條件可知,試驗采場采深為200～240 m,為便于理論計算,取240 m;上覆巖層容重按27.3 kN/m3進(jìn)行計算?？汕蟮媚Ｐ晚敯宕怪睉?yīng)力為6.55 MPa,水平方向應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1/2,因此可得水平方向應(yīng)力為3.27 MPa。確定初始地應(yīng)力后,對模型進(jìn)行邊界約束,固定模型底部Z軸以及四周X、Y軸方向的位移,設(shè)置重力加速度為9.8 m/s2。

2.3 礦體模型構(gòu)建

依據(jù)所選取的模型參數(shù)及邊界條件,建立了如圖2所示的采場數(shù)值模擬模型,尺寸為50 m×20 m×30 m(長×寬×高)。為了能夠準(zhǔn)確地模擬采場回采后的應(yīng)力和位移的改變情況,首先將模型劃分成3層;然后再劃分網(wǎng)格,上、中、下層,中間部分是受礦槽、間柱和礦體。為了保障模擬結(jié)果的精確性,縮小巷道周邊的網(wǎng)格密度,以提高數(shù)值模擬精度。因此,構(gòu)建模型時在中間部分網(wǎng)格布置更加密集,共劃分了1 367 040個單元格,1 410 930個節(jié)點,如圖2所示。

圖2 礦體模型Fig.2 Model of orebody

2.4 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬方案設(shè)計

為了探究不同參數(shù)下開采時頂板采場應(yīng)力變化及位移變化規(guī)律,根據(jù)提出的雙側(cè)側(cè)向拋擲采礦法,結(jié)合礦體賦存情況,制定了不同的回采寬度參數(shù)進(jìn)行模擬分析。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案設(shè)計見表2。

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案設(shè)計Table 2 Design of the schemes of stope structure parameters m

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 不同采幅應(yīng)力變化結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的采礦方案,對采場結(jié)構(gòu)的回采寬度進(jìn)行分析,回采過程采用“隔一采一”的方式,利用FLAC3D對5種方案進(jìn)行了模擬分析,所得應(yīng)力分析結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 方案Ⅰ回采寬度分步回采應(yīng)力分布特征Fig.3 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅰ

圖4 方案Ⅱ回采寬度分步回采應(yīng)力分布特征Fig.4 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅱ

圖5 方案Ⅲ回采寬度分步回采應(yīng)力分布特征Fig.5 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅲ

圖6 方案Ⅳ回采寬度分步回采應(yīng)力分布特征Fig.6 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅳ

圖7 方案Ⅴ回采寬度分步回采應(yīng)力分布特征Fig.7 Mining stress distribution characteristics of stoping width step by step in scheme Ⅴ

由圖3～圖7可知:最大主應(yīng)力集中在開挖后礦體與巖石的交界處,空區(qū)受到兩側(cè)的最大主應(yīng)力比豎直方向要大。在不同的回采過程中,最大主應(yīng)力分別呈先上升后下降的趨勢,略高于上盤圍巖抗壓強(qiáng)度,礦體和圍巖部分發(fā)生破壞。最大主應(yīng)力具體取值見表3。

表3 不同條件下回采過程最大主應(yīng)力Table 3 Maximum principal stress in mining process under different conditions MPa

3.2 不同采幅位移變化結(jié)果

在分析5種方案應(yīng)力變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論了各方案的位移變化特征,其中方案Ⅰ的回采位移變化特征如圖8所示。

圖8 方案Ⅰ回采寬度分步回采位移變化特征Fig.8 Variation characteristics of stoping displacement with stoping width step by step in scheme Ⅰ

由圖8可知:采場頂板的下沉量曲線關(guān)于采場軸線對稱,且頂板位移遠(yuǎn)大于底板的變形量,最大位移在頂板附近。隨著采幅的增加,頂板下沉量逐漸增大。位移隨著礦房的回采逐漸增大,最終維持在3.13 mm左右。5組方案各回采過程中的位移變化數(shù)據(jù)見表4。

表4 各方案回采過程的最大位移Table 4 Maximum displacement of the mining process of each scheme mm

3.3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方案對比分析

結(jié)合表3,在5種方案中,對不同的采幅條件下各個回采過程中的最大主應(yīng)力進(jìn)行了對比分析,結(jié)果如圖9所示。

圖9 礦體不同回采寬度對應(yīng)的最大主應(yīng)力Fig.9 Maximum principal stress corresponding to different stoping widths of orebodies

由圖9可知:在回采寬度固定的條件下,隨著礦房的回采,最大主應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,最終維持在某數(shù)值附近,表明巖體中的部分壓力得到釋放,應(yīng)力分布達(dá)到新的平衡狀態(tài)。隨著回采寬度的增大,最大主應(yīng)力均有所增大;礦石回采后應(yīng)力重新分布,在垂直方向處(頂?shù)装?并非應(yīng)力最大,應(yīng)力多集中于礦石開挖后邊角處與兩側(cè)。在采幅為2.5 m和3.0 m的方案中,在第4步和第5步回采完成應(yīng)力重新分布后,周邊圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢,有潛在的巖爆風(fēng)險。

結(jié)合表4數(shù)據(jù),對不同回采寬度條件下各個回采過程中的最大位移量進(jìn)行了對比分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 礦體不同回采寬度對應(yīng)的最大位移量Fig.10 Maximum displacement corresponding to different stoping widths of orebodies

由圖10可知:在回采寬度固定的條件下,前期開挖時位移量保持穩(wěn)定,當(dāng)開挖至第4、5步時,Z方向最大位移隨著回采過程突然增大,表明未開采礦房的存在對減緩回采形成的擾動區(qū)域的擴(kuò)展起到一定的作用;隨著回采寬度增大,Z方向最大位移也均勻增大,頂板的最大下沉量為5.8 mm,表明該礦薄礦體區(qū)域頂板巖石穩(wěn)固性較好。根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗,通常以頂板下沉量10 mm為臨界值。在各回采方案中,下沉量均可控制在安全范圍內(nèi),可以為回采過程提供安全條件。

綜上所述,綜合5種方案的最大主應(yīng)力和最大位移量變化特征的分析,進(jìn)一步討論山東黃金礦業(yè)(鑫匯)金礦的緩傾斜極薄礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)方案。當(dāng)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)采用方案Ⅱ時,采場主應(yīng)力較小且基本保持平穩(wěn)狀態(tài),并在第4、5步回采后,圍巖應(yīng)力下降趨勢最為明顯,同時整個開采過程圍巖位移量也相對較小。綜合考慮,將回采寬度設(shè)置為1.5m效果最優(yōu),可在實現(xiàn)高效開采的同時,保證生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 論

針對山東黃金(鑫匯)金礦緩傾斜極薄礦體采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題,采用了基于有限元分析軟件FLAC3D的分析方法,構(gòu)建了礦體數(shù)值模型,并通過礦山實際案例數(shù)據(jù)設(shè)置了合理的模型參數(shù);設(shè)計了科學(xué)的模擬方案,并綜合對比分析了各方案的最大主應(yīng)力及位移量變化規(guī)律,可為該礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論如下:

(1)隨著采幅增大,第1步回采后產(chǎn)生的應(yīng)力和破壞范圍明顯增大,在不同的回采過程中,圍巖中的應(yīng)力存在釋放的過程,能夠使應(yīng)力分布達(dá)到新的平衡狀態(tài)。同時隨著采幅增大,頂板下沉量逐漸增大,前期的頂板變形量增加緩慢,隨著礦房的回采,頂板位移大幅度增加,需要加強(qiáng)對頂板位移的監(jiān)測,以保證采場正常生產(chǎn)。

(2)本研究采用的緩傾斜薄礦體雙側(cè)拋擲嗣后充填采礦方法的采場應(yīng)力分布特征分析思路,對于同類礦山開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計有一定的參考價值。