劉艷章 陳小強(qiáng) 潘世華 鄒曉甜 張 群 張丙濤

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081)

泥河鐵礦是由含硫磁鐵礦及中型硬石膏礦、硫鐵礦等組成的多礦種的大型地下礦山［1］，其一期工程主要開采－830 m 階段和－750 m 階段。針對(duì)一期工程礦床的開采，可選的階段開采順序有自上而下和自下而上2 種方案。不合理的開采順序可能會(huì)導(dǎo)致巷道及采場(chǎng)的失穩(wěn)，甚至引起地表的變形及塌落［2-3］，因此研究泥河鐵礦礦床合理的階段開采順序?qū)ΦV區(qū)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。目前，針對(duì)這一問題，通常采用的研究手段有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)、物理模擬實(shí)驗(yàn)法、數(shù)值模擬分析法等［4］。上述方法通過對(duì)比分析不同階段開采順序下采場(chǎng)及圍巖的位移、應(yīng)力分布狀態(tài)，從而確定合理的階段開采順序［5-6］。工程實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)和物理模擬實(shí)驗(yàn)法由于受到人力物力及現(xiàn)場(chǎng)條件等因素制約，其應(yīng)用受到一定的限制。數(shù)值模擬技術(shù)在礦山地下工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，通常運(yùn)用有限差分法、邊界元法和有限元法的模擬分析法較多［7-8］。開拓巷道作為采礦生產(chǎn)過程中的主要運(yùn)輸通道，其穩(wěn)定性關(guān)系到礦山地下開采的各個(gè)環(huán)節(jié)［9］，是衡量階段開采順序優(yōu)劣的重要評(píng)判依據(jù)。結(jié)合礦山實(shí)際情況，本研究運(yùn)用有限元數(shù)值分析軟件ANSYS 對(duì)不同階段開采順序下開拓巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究，并根據(jù)開拓巷道的穩(wěn)定性狀況確定合理的階段開采順序。

1 工程概況

泥河鐵礦一期開采南西區(qū)(11 線～6 線)－670 m ～－830 m 之間高品位磁鐵礦，主要開采對(duì)象為I號(hào)鐵礦體。I 號(hào)鐵礦體主要賦存于閃長(zhǎng)巖體內(nèi)疊加蝕變帶和深色蝕變帶中，在空間上表現(xiàn)為穹狀特征，總體呈厚大的似層狀或透鏡狀。礦體平均長(zhǎng)度為741 m，平均寬度為445.59 m，平均厚度為86.59 m。礦體圍巖巖性一般堅(jiān)硬，巖體質(zhì)量等級(jí)為良，巖石完整性好。一期工程設(shè)計(jì)采用中央豎井開拓方案，主副井均布置在地表移動(dòng)帶以外，穩(wěn)定性良好。階段設(shè)置－670 m回風(fēng)階段、－750 m 和－830 m 出礦階段、－850 m 有軌運(yùn)輸階段。采區(qū)斜坡道布置在0 號(hào)勘探線和7 號(hào)勘探線之間，無(wú)軌設(shè)備從－750 m 階段開始沿斜坡道進(jìn)入各個(gè)開采分段，開拓巷道斷面均采用三心拱斷面。根據(jù)泥河鐵礦開采設(shè)計(jì)，礦體開采采用分段鑿巖、階段出礦、階段充填采礦法，采場(chǎng)盤區(qū)布置階段高度為80 m。盤區(qū)內(nèi)采場(chǎng)采用“隔一采一”兩步驟回采，礦房礦柱在平面上等間隔布置，其寬度為20 m，長(zhǎng)度為50 m，高度為80 m 或礦體厚度。每步回采形成的空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填后再進(jìn)行下一步開采。

2 可選的階段開采順序

泥河鐵礦可選的階段開采順序有2 種:一種為自下而上的階段開采順序，即先采－830 m 階段，后采－750 m階段;另一種為自上而下的階段開采順序，即先采－750 m 階段，后采－830 m 階段。根據(jù)可選的階段開采順序設(shè)計(jì)方案:方案一為自下而上的階段開采順序;方案二為自上而下的階段開采順序。階段內(nèi)礦房礦柱開采步驟如圖1 所示。

方案一:開采步驟一，回采礦房A;開采步驟二，充填空區(qū)A，回采礦柱B;開采步驟三，充填空區(qū)B，回采礦房C;開采步驟四，充填空區(qū)C，回采礦柱D。

方案二:開采步驟一，回采礦房C;開采步驟二，充填空區(qū)C，回采礦柱D;開采步驟三，充填空區(qū)D，回采礦房A;開采步驟四，充填空區(qū)A，回采礦柱B。

圖1 階段內(nèi)開采步驟示意Fig.1 Schematic diagram of mining steps within the stages

3 數(shù)值模擬分析

3.1 典型勘探線剖面

選取1 號(hào)和7 號(hào)2 個(gè)典型勘探線剖面建立二維數(shù)值模型。其中，1 號(hào)勘探線剖面處于南西礦區(qū)中部，7 號(hào)勘探線剖面處于礦區(qū)端部，能總體反映一期工程主要開拓巷道及礦床的賦存特點(diǎn)，對(duì)其階段開采順序的研究能夠應(yīng)用于整個(gè)礦區(qū)。典型勘探線剖面開拓巷道布置如圖2 所示，剖面下邊界均為Y = －900 m。

圖2 典型勘探線剖面圖Fig.2 The typical exploration profiles

3.2 數(shù)值模型

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，獲得泥河鐵礦主要巖體的礦巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 礦巖和充填體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physic-mechanical parameters of rock and filling body

模型單元網(wǎng)格劃分:1 號(hào)勘探線剖面模型共劃分單元25 031個(gè)，共有節(jié)點(diǎn)25 151個(gè);7 號(hào)勘探線剖面共劃分單元18 007個(gè)，共有節(jié)點(diǎn)18 091個(gè)。模型邊界條件在左右兩側(cè)為X 方向約束，在底部為Y 方向約束，上邊界為自由邊界。

3.3 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算對(duì)開拓巷道圍巖小主應(yīng)力和安全系數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究，從而為判斷不同階段開采順序下開拓巷道的穩(wěn)定性提供定量依據(jù)。安全系數(shù)FS由Mohr－Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則確定［10］:

式中，σc為巖體抗壓強(qiáng)度;σt為巖體抗拉強(qiáng)度;σ1為最大主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力。開拓巷道圍巖主要為閃長(zhǎng)玢巖，取σt= 3.8 MPa，σc= 85.2 MPa。當(dāng)安全系數(shù)FS＞1 時(shí)表示穩(wěn)定，反之表示不穩(wěn)定。

運(yùn)用ANSYS 軟件計(jì)算得到典型勘探線剖面在2種方案下各開采步驟的最小主應(yīng)力云圖，如圖3 ～圖6 所示。ANSYS 軟件基于彈性理論分析，圖中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。而在巖石力學(xué)工程問題中，拉應(yīng)力為負(fù)值，壓應(yīng)力為正值，故在數(shù)值計(jì)算時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反符號(hào)處理。由于巖體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，巖體往往更容易發(fā)生拉伸破壞，拉應(yīng)力出現(xiàn)的部位有必要進(jìn)行重點(diǎn)分析和研究。

圖3 1 號(hào)勘探線剖面方案一不同開采步驟最小主應(yīng)力云圖Fig.3 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 1 in exploration profile 1

圖4 1 號(hào)勘探線剖面方案二不同開采步驟最小主應(yīng)力云圖Fig.4 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 2 in exploration profile 1

由圖3 ～圖6 可知，無(wú)論是采用自下而上還是自上而下的階段開采順序，典型勘探線剖面中，礦房礦柱回采后絕大部分開拓巷道圍巖及采場(chǎng)頂?shù)装寰植砍霈F(xiàn)拉應(yīng)力。同時(shí)，兩方案中開采步驟二和開采步驟四相對(duì)于其他兩開采步驟拉應(yīng)力范圍都明顯擴(kuò)大，即各階段內(nèi)回采礦柱時(shí)拉應(yīng)力比回采礦房時(shí)范圍明顯擴(kuò)大。礦柱是在膠結(jié)充填體的支撐下進(jìn)行回采作業(yè)，回采時(shí)要充分考慮充填體的材料性質(zhì)及其強(qiáng)度?？傮w上，典型勘探線剖面中方案二的拉應(yīng)力分布范圍要小于方案一。

圖5 7 號(hào)勘探線剖面方案一不同開采步驟最小主應(yīng)力云圖Fig.5 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 1 in exploration profile 7

圖6 7 號(hào)勘探線剖面方案二不同開采步驟最小主應(yīng)力云圖Fig.6 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 2 in exploration profile 7

通過對(duì)最小主應(yīng)力云圖中開拓巷道圍巖最小主應(yīng)力最小值處進(jìn)行應(yīng)力分析，得出各巷道最小主應(yīng)力和安全系數(shù)在不同階段開采順序下與開采步驟的關(guān)系，如圖7 ～圖10 所示。分析圖7 和圖9 可知，1 號(hào)勘探線剖面在不同開采步驟下，開拓巷道圍巖最小主應(yīng)力最小值均為拉應(yīng)力。方案二除了－830 m 階段運(yùn)輸巷道和斜坡道(二)最小主應(yīng)力小于方案一，其余總體上大于方案一。7 號(hào)勘探線剖面－750 m 階段運(yùn)輸巷道和斜坡道(一)在部分開采步驟中圍巖最小主應(yīng)力最小值為正值，即為壓應(yīng)力，其穩(wěn)定性較好。除此之外的其他巷道除了斜坡道(二)最小主應(yīng)力方案二小于方案一，其余都大于方案一。從圖8 和圖10 可知，1 號(hào)剖面中的－830 m 階段運(yùn)輸巷道和斜坡道(二)，7 號(hào)剖面中的－750 m 階段運(yùn)輸巷道和斜坡道(二)安全系數(shù)方案二小于方案一，其他巷道均大于方案一。

隨著開采工作的推進(jìn)，礦塊不斷被充填體取代，開拓巷道圍巖應(yīng)力分布也不斷變化，部分開拓巷道在開采過程中巷道圍巖出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力集中。局部區(qū)域甚至超過了巖體的抗拉強(qiáng)度，在生產(chǎn)過程中，所處地段的巷道頂板很容易發(fā)生剪切破壞［11］，這些區(qū)域都應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)?？傮w上，雖然采用自下而上的階段開采方式有利于上階段采出廢石進(jìn)入下部階段的采空區(qū)［12］，可以減少?gòu)U石的提升運(yùn)輸量，但針對(duì)泥河鐵礦儲(chǔ)量大、埋藏深的礦體賦存特點(diǎn)，采用自上而下的階段開采順序在拉應(yīng)力分布范圍和最小主應(yīng)力及安全系數(shù)的數(shù)值上均優(yōu)于自下而上的開采順序。因此，1 號(hào)和7 號(hào)典型勘探線剖面采用方案二開拓巷道更為穩(wěn)定，自上而下的階段開采順序更為合理。

圖8 1 號(hào)勘探線剖面安全系數(shù)與開采步驟的關(guān)系Fig.8 The relation between safety factors in exploration profile 1 and different mining steps

圖9 7 號(hào)勘探線剖面最小主應(yīng)力與開采步驟的關(guān)系Fig.9 The relation between minor principal stress in exploration profile 7 and different mining steps

表2 和表3 分別為1 號(hào)勘探線剖面和7 號(hào)勘探線剖面在不同開采步驟下開拓巷道的平均安全系數(shù)。

從表2 和表3 中也可知，1 號(hào)和7 號(hào)勘探線剖面中多數(shù)巷道平均安全系數(shù)方案二大于方案一。顯然，所選取的典型勘探線剖面中開拓巷道穩(wěn)定性方案二總體要好于方案一。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)典型勘探線剖面建立有限元計(jì)算模型，并對(duì)一期工程自下而上(方案一)和自上而下(方案二)2 種階段開采順序各開采步驟進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，根據(jù)拉應(yīng)力分布范圍、最小主應(yīng)力和安全系數(shù)分析開拓巷道的穩(wěn)定性，以此得出合理的階段開采順序。

圖10 7 號(hào)勘探線剖面安全系數(shù)與開采步驟的關(guān)系Fig.10 The relation between safety factors in exploration profile 7 and different mining steps

表2 1 號(hào)勘探線剖面不同開采步驟開拓巷道的平均安全系數(shù)Table 2 Average safety factors of opening roadways in exploration profile 1 at different mining steps

表3 7 號(hào)勘探線剖面不同開采步驟開拓巷道的平均安全系數(shù)Table 3 Average safety factors of opening roadways in exploration profile 7 at different mining steps

(2)2 方案在礦房和礦柱回采過程中，絕大多數(shù)開拓巷道圍巖頂?shù)装寰植砍霈F(xiàn)拉應(yīng)力。并且在回采礦柱時(shí)，空區(qū)由充填體支撐，拉應(yīng)力分布范圍會(huì)擴(kuò)大。建議在回采礦柱時(shí)應(yīng)快采快運(yùn)，并及時(shí)充填采空區(qū)。

(3)結(jié)合泥河鐵礦工程實(shí)際情況，采用自上而下的階段開采順序在拉應(yīng)力分布范圍、安全系數(shù)和最小主應(yīng)力的數(shù)值上均優(yōu)于自下而上的階段開采順序，且開拓巷道的穩(wěn)定性更好，有利于保障生產(chǎn)運(yùn)輸安全。

(4)隨著回采工作推進(jìn)，部分開拓巷道頂?shù)装寰植繀^(qū)域拉應(yīng)力偏大，安全系數(shù)較小，這些地段有可能發(fā)生剪切破壞。在開采過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些區(qū)域的監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行有效的支護(hù)。

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