李 翠，張良兵，陳 濤，羅少琛

（攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究院,四川 攀枝花 617063）

0 引言

攀西某地下礦山開采采用無底柱分段崩落法[1]，但在實(shí)際開采過程中存在環(huán)保壓力大和礦石損失、貧化率大等問題[2-3]，為盡可能回采礦石資源和滿足國(guó)家環(huán)保政策要求，企業(yè)提出采用分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行地下開采。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響礦山安全生產(chǎn)、采場(chǎng)穩(wěn)定性、礦石損失率和貧化率等的重要因素，其確定對(duì)地下開采至關(guān)重要。目前，常用經(jīng)驗(yàn)類比法、Mathew 穩(wěn)定圖表法[4-6]和FLAC3D數(shù)值模擬法[7-13]優(yōu)化空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ牟蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)類比法簡(jiǎn)單實(shí)用，但憑借工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)手冊(cè)選取，不夠嚴(yán)謹(jǐn)；Mathew 穩(wěn)定圖表法主要用于估算采場(chǎng)頂板的暴露面積和充填體側(cè)幫的暴露面積；FLAC3D數(shù)值模擬法應(yīng)用范圍廣泛，能模擬計(jì)算三維的土、巖體及其它材料受力狀態(tài)下的各種力學(xué)行為，常用來優(yōu)化礦房跨度、礦房長(zhǎng)度和階段高度等采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，但對(duì)討論充填體側(cè)幫暴露面積等問題時(shí)難以奏效。

因此，筆者以攀西某地下礦山采用分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮顬槔?，?yīng)用Mathews 穩(wěn)定圖法和經(jīng)驗(yàn)類比法估算采場(chǎng)暴露面積，并基于FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終推薦符合礦山實(shí)際的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為礦山的開采設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

攀西某地下礦山礦區(qū)構(gòu)造比較復(fù)雜，礦區(qū)內(nèi)有五個(gè)礦帶，礦帶內(nèi)礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，層狀礦體中夾石及低品位礦石居多。礦體、圍巖、夾層或夾石成分多為輝長(zhǎng)巖。輝長(zhǎng)巖體呈北東～南西向展布，長(zhǎng)約20 km、寬約2 km，面積約40 km2。巖體呈單斜層產(chǎn)出，傾向北西，傾角一般50°～60°。原設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落采礦法進(jìn)行開采，設(shè)計(jì)主要參數(shù)為進(jìn)路間距18 m、分段高度20 m。

2 采場(chǎng)暴露面積估算

攀西某地下礦山礦區(qū)與采礦工程穩(wěn)定性關(guān)系較為密切的礦巖為輝長(zhǎng)巖，礦體與圍巖、夾石都是輝長(zhǎng)巖，考慮到攀西某地下礦實(shí)際情況，本研究重點(diǎn)采用Mathews 穩(wěn)定圖法確定采場(chǎng)允許暴露面積值，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比法推薦合理值。

2.1 基于Mathews 穩(wěn)定圖法估算

Mathews 穩(wěn)定圖法是加拿大Mathews 所創(chuàng)，基于Q系統(tǒng)分級(jí)，通過利用若干穩(wěn)定圖確定形狀因子，進(jìn)而確定采場(chǎng)暴露面積值。Mathews 穩(wěn)定圖法的設(shè)計(jì)過程以穩(wěn)定數(shù)因子N和形狀因子（或水力半徑）S計(jì)算為基礎(chǔ)，將兩個(gè)因子繪制在劃分為預(yù)測(cè)穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)和崩落區(qū)的圖上。穩(wěn)定數(shù)因子N 代表巖體在給定應(yīng)力條件下維持穩(wěn)定的能力，形狀因子或水力半徑S則反映采空區(qū)尺寸和形狀。

攀西某地下礦山Q系統(tǒng)分級(jí)評(píng)分結(jié)果見表1，巖體穩(wěn)定數(shù)N 的計(jì)算公式如式（1）所示，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 Q 值系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果Table 1 Q-value system rating results

式中，Q′為修正的Q系統(tǒng)分級(jí)值；A為巖石強(qiáng)度因子，為在評(píng)價(jià)的采空面邊界上巖石單軸抗壓強(qiáng)度 σc與誘生的壓應(yīng)力 σ1之比；B為節(jié)理方向調(diào)整參數(shù)；C為重力調(diào)整因子。

待分析幫壁或采空面的形狀因子S的計(jì)算公式如式（2）所示：

結(jié)合攀西某地下礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，參照?qǐng)D1，按輝長(zhǎng)巖的穩(wěn)固性確定礦房寬度為15 m，計(jì)算各類礦巖的暴露面積，計(jì)算結(jié)果見表3。其中，對(duì)于采場(chǎng)頂板，當(dāng)計(jì)算長(zhǎng)度值超過寬度的4 倍時(shí)，按長(zhǎng)寬比為4∶1重新進(jìn)行計(jì)算。

圖1 Trueman 擴(kuò)展的Mathews 穩(wěn)定圖（2000）[14]Fig.1 Trueman extended Mathews stability graph (2000)

表3 Mathews 穩(wěn)定圖法估算的采場(chǎng)暴露面積Table 3 Estimation of exposed area of mining stope using Mathews stability map method

由表3 可知，礦房寬度相同時(shí)，隨輝長(zhǎng)巖的RQD 值減小，采場(chǎng)形狀因子和頂板、側(cè)幫暴露面積總體呈下降趨勢(shì)，故巖體的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)采場(chǎng)暴露面積影響較大。經(jīng)Mathews 穩(wěn)定圖法估算，攀西某地下礦山頂板允許暴露面積范圍為700～1 300 m2，側(cè)幫允許暴露面積取值范圍為4 160～5 000 m2。

2.2 基于經(jīng)驗(yàn)類比法推薦合理值

參照國(guó)內(nèi)外空?qǐng)龌夭伤煤蟪涮罘ǖV山[15]，采場(chǎng)頂板暴露面積一般都控制在1 500 m2之內(nèi)。通常頂板暴露面積超過1 500 m2時(shí)，采場(chǎng)巖體的穩(wěn)定性較好；《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》中闡明，僅極穩(wěn)固的巖體回采時(shí)允許的暴露面積才可大于1 000 m2，這一看法較為保守。從礦石自身強(qiáng)度來看，攀西某地下礦山的鐵礦石單軸抗壓強(qiáng)度平均為100 MPa，但其節(jié)理裂隙略為發(fā)育，且僅在節(jié)理裂隙不發(fā)育處采場(chǎng)頂板暴露面積才可達(dá)到1 600 m2。故推薦攀西某地下礦山合理的采場(chǎng)頂板暴露面積為800～1 200 m2。

礦體側(cè)幫暴露面積一般不超過8 000 m2，一般控制在6 000 m2之內(nèi)[15]。湖南郴州柿竹園鉛鋅礦[16]的空?qǐng)龈叨冗_(dá)90 m，長(zhǎng)67 m，礦石單軸抗壓強(qiáng)度平均為150 MPa，側(cè)幫暴露面積為6 030 m2，空區(qū)的穩(wěn)定性較好，開采10 余年僅小部分跨塌。當(dāng)側(cè)幫暴露面積達(dá)到8 000 m2時(shí)，巖體的穩(wěn)定性較好。李樓-吳集鐵礦[17]采用兩步驟嗣后充填采礦法，階段高度100 m，礦房和礦柱寬度均為20 m，側(cè)向暴露面積達(dá)到4 000～6 000 m2，僅在節(jié)理裂隙不發(fā)育處，礦體側(cè)幫暴露面積才可達(dá)到8 000 m2。故推薦攀西某地下礦山合理的采場(chǎng)側(cè)幫暴露面積為4 000～5 000 m2。

綜上所述，根據(jù)攀西某地下礦山巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度，推薦不同巖性或充填體的暴露面積值，詳見表4。

表4 不同節(jié)理裂隙程度的輝長(zhǎng)巖暴露面積值Table 4 Exposed area values of gabbro with different joint fissure degrees

3 基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Contimua in Three-Dimensions）是由美國(guó)Itasac consulting Group Inc 開發(fā)的三維顯式有限差分計(jì)算程序，能模擬計(jì)算三維的土、巖體及其它材料受力狀態(tài)下的各種力學(xué)行為。

本研究結(jié)合攀西某地下礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取礦房寬度15 m，重點(diǎn)采用FLAC3D數(shù)值模擬分析礦房長(zhǎng)度和階段高度，推薦合理值。

3.1 基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析

3.1.1 巖體力學(xué)參數(shù)選取

攀西某地下礦山與采礦工程穩(wěn)定性關(guān)系較為密切的礦巖為輝長(zhǎng)巖，相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 數(shù)值模擬計(jì)算所用的材料物理力學(xué)參數(shù)Table 5 Physical and mechanical parameters of materials used in numerical simulation

3.1.2 FLAC3D數(shù)值模型建立

為提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力，采用大采場(chǎng)開采。國(guó)內(nèi)礦山的階段高度通常在50 m 左右，國(guó)外礦山的階段高度有的超過了200 m?；趪?guó)內(nèi)礦山實(shí)際情況，本研究遵循Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則、采用FLAC3D軟件建立模型，分別對(duì)礦房寬度15 m，階段高度60、70 m 和80 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度40、60 m 和80 m 的礦房進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型如圖2 所示，計(jì)算方案見表6。

圖2 采場(chǎng)計(jì)算模型Fig.2 Stope calculation model diagram

表6 礦房及礦柱合理參數(shù)研究計(jì)算方案Table 6 Research and calculation scheme of reasonable parameters of room and pillar

3.2 FLAC3D 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 采場(chǎng)長(zhǎng)度模擬結(jié)果分析

空?qǐng)鰻顟B(tài)下，應(yīng)力極值常位于采場(chǎng)周邊。采場(chǎng)頂板、兩幫及上下盤容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力通常位于2 個(gè)或3 個(gè)面的交叉處。

采場(chǎng)長(zhǎng)度優(yōu)化方案見表6 中方案一～方案三，礦房寬度15 m、階段高度70 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度分別為40、60 m 和80 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度優(yōu)化模擬計(jì)算見表7，對(duì)應(yīng)云圖如圖3、4 所示。

圖3 方案一～方案三壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud charts of compressive stress,tensile stress and shear stress for scheme I to scheme III

表7 采場(chǎng)長(zhǎng)度優(yōu)化模擬計(jì)算結(jié)果Table 7 Simulation calculation results of stope length optimization

由表7 可知，隨采場(chǎng)長(zhǎng)度變化，采場(chǎng)頂板的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均大于采場(chǎng)兩幫和上下盤，說明壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中于頂板處，需加強(qiáng)頂板管理。其中因采場(chǎng)頂板的暴露面積大于兩幫，因此最大拉應(yīng)力集中于采場(chǎng)兩幫礦柱中，且隨采場(chǎng)長(zhǎng)度加大而逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率分別為54.8%和12.7%。采場(chǎng)長(zhǎng)度小于80 m 時(shí)，采場(chǎng)周圍的最大拉應(yīng)力值小于0.71 MPa，小于鐵礦體的抗拉強(qiáng)度（0.81 MPa）。故通過拉應(yīng)力不能準(zhǔn)確得出攀西某地下礦山的采場(chǎng)長(zhǎng)度。

由圖3 可知，隨采場(chǎng)長(zhǎng)度加大，采場(chǎng)周圍應(yīng)力峰值逐漸增大，采場(chǎng)穩(wěn)定性將受到破壞。盡管采場(chǎng)頂板、兩幫及上下盤圍巖中的拉應(yīng)力值迅速增大，但仍未超出礦體的極限抗拉強(qiáng)度和極限抗壓強(qiáng)度，因此為準(zhǔn)確得出合理采場(chǎng)長(zhǎng)度，還需從采場(chǎng)周圍最大位移和塑性區(qū)范圍加以確定。采場(chǎng)開挖結(jié)束后塑性區(qū)分布情況如圖4 所示，圖中紅色為采場(chǎng)圍巖已經(jīng)發(fā)生塑性剪切和張拉變形區(qū)域，綠色為采場(chǎng)圍巖已經(jīng)發(fā)生塑性剪切變形區(qū)域，粉色為采場(chǎng)圍巖正在發(fā)生塑性剪切變形和已經(jīng)發(fā)生塑性剪切變形區(qū)域。

圖4 方案一～方案三塑性區(qū)圖Fig.4 Plastic zone maps for scheme I to scheme III

另外，由表7 可知，采場(chǎng)頂板和兩幫的最大位移隨采場(chǎng)長(zhǎng)度加大而增大。其中，采場(chǎng)頂板受采場(chǎng)長(zhǎng)度的影響更大，當(dāng)采場(chǎng)長(zhǎng)度由40 m 增大至60 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板最大位移增長(zhǎng)率為25%；而當(dāng)采場(chǎng)長(zhǎng)度由60 m 增大至80 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板最大位移增長(zhǎng)率為180%。故采場(chǎng)長(zhǎng)度不宜大于60 m。

由圖4 可知，采場(chǎng)圍巖張拉變形主要集中在采場(chǎng)兩幫，側(cè)向證明采場(chǎng)兩幫拉應(yīng)力比較集中。采場(chǎng)長(zhǎng)度為60 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板沒有發(fā)生正在進(jìn)行的剪切變形，直到采場(chǎng)長(zhǎng)度大于60 m 后，采場(chǎng)頂板開始發(fā)生正在進(jìn)行的剪切變形，導(dǎo)致采場(chǎng)內(nèi)頂板穩(wěn)定性較差。故采場(chǎng)長(zhǎng)度為60 m 最為適宜。

3.2.2 階段高度模擬結(jié)果分析

階段高度優(yōu)化方案見表6 中方案四～方案六，采場(chǎng)長(zhǎng)度60 m、礦房寬度15 m，階段高度分別為60、70 m 和80 m，采場(chǎng)階段高度優(yōu)化模擬計(jì)算結(jié)果見表8，對(duì)應(yīng)云圖如圖5 所示。

圖5 方案四～方案六壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖Fig.5 Cloud charts of compressive stress,tensile stress and shear stress for scheme Ⅳ to scheme Ⅵ

表8 采場(chǎng)階段高度優(yōu)化模擬計(jì)算結(jié)果Table 8 Optimization simulation results of stope stage height

由表8 可知，隨階段高度增大，采場(chǎng)周圍的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，各階段高度采場(chǎng)頂板的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均大于采場(chǎng)兩幫和上下盤，說明壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中于頂板處，需加強(qiáng)頂板管理。其中因采場(chǎng)頂板的暴露面積大于兩幫，因此最大拉應(yīng)力集中于采場(chǎng)兩幫礦柱中，并隨階段高度增加而逐漸增大，增長(zhǎng)率分別為6.8%和9.6%。階段高度小于80 m 時(shí)，采場(chǎng)周圍的最大拉應(yīng)力值小于0.68 MPa，小于鐵礦體的抗拉強(qiáng)度（0.81 MPa）。故通過拉應(yīng)力不能準(zhǔn)確得出攀西某地下礦山的階段高度。

由圖5 可知，隨階段高度增大，采場(chǎng)周圍應(yīng)力峰值逐漸增大，采場(chǎng)穩(wěn)定性將受到破壞。盡管采場(chǎng)頂板、兩幫及上下盤圍巖中的拉應(yīng)力值迅速增大，但仍未超出礦體的極限抗拉強(qiáng)度和極限抗壓強(qiáng)度，因此為準(zhǔn)確得出合理階段高度，還需從采場(chǎng)周圍最大位移和塑性區(qū)范圍加以確定，如圖6 所示。

圖6 方案四～方案六塑性區(qū)圖Fig.6 Plastic zone maps for scheme Ⅳ to scheme Ⅵ

另外，由表8 可知，采場(chǎng)頂板和兩幫的最大位移隨階段高度增加而增大。其中，采場(chǎng)頂板受階段高度的影響更大，當(dāng)階段高度由60 m 增加至70 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板最大位移增長(zhǎng)率為66.6%；而當(dāng)階段高度由70 m 增加至80 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板最大位移增長(zhǎng)率為220%。故階段高度不宜大于70 m。

由圖6 可知，采場(chǎng)圍巖張拉變形主要集中在采場(chǎng)兩幫，側(cè)向證明采場(chǎng)兩幫拉應(yīng)力比較集中。階段高度為60 m 時(shí)，采場(chǎng)頂板沒有發(fā)生正在進(jìn)行的剪切變形，直到階段高度大于60 m 后，采場(chǎng)頂板開始發(fā)生正在進(jìn)行的剪切變形，導(dǎo)致采場(chǎng)內(nèi)頂板穩(wěn)定性較差。故階段高度為60 m 最為適宜。

綜上所述，為更好與攀西某地下礦山現(xiàn)有開拓系統(tǒng)良好銜接，推薦采場(chǎng)長(zhǎng)度為60 m、階段高度為60 m。

4 結(jié)論

1）采用Mathews 穩(wěn)定圖法和經(jīng)驗(yàn)類比法對(duì)攀西某地下礦山暴露面積值進(jìn)行估算，最終推薦采場(chǎng)頂板允許暴露面積為800～1 200 m2，礦體側(cè)幫允許暴露面積為4 000～5 000 m2。

2）采用FLAC3D對(duì)攀西某地下礦山結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨采場(chǎng)長(zhǎng)度和階段高度增大，采場(chǎng)周圍的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都呈增加趨勢(shì)。結(jié)合礦山現(xiàn)有開拓系統(tǒng)，攀西某地下礦山階段高度為60 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為60 m 最為適宜。