張紀(jì)偉，胡建華，亓中華，任啟帆

(1.山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限責(zé)任公司，山東 沂源 256119； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

1 前言

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是采動后的次生應(yīng)力場變化及其礦山結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定性的重要影響因素之一[1～3]，不同的地質(zhì)條件、采礦工藝和采礦方法下具有不同的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[4～6]。因此，需針對不同的地質(zhì)環(huán)境，對采場回采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來定量分析和計算在回采過程中采場周邊圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力及塑性區(qū)的動態(tài)變化情況以及破壞模式，從而保障地下采礦作業(yè)的安全性，保障采場穩(wěn)定性，做到安全生產(chǎn)，并最大限度地降低礦石損失、貧化率和開采成本，提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益[7～8]。但由于合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素十分復(fù)雜，很難用一個確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述它們之間的關(guān)系，從而使用傳統(tǒng)的方法解決采場參數(shù)的優(yōu)化問題存在一定的困難[9]。

3DMine- Midas- Flac3D耦合建模數(shù)值模擬技術(shù)可以考慮多種巖體介質(zhì)[10～11]，且能較好地模擬實際采礦過程中的采、充填等過程，極大程度上擬合實際開采過程，是目前較為有效的研究方法之一[12～13]。在井下采礦工程的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究中，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究這些領(lǐng)域相關(guān)問題不可或缺的輔助工具。

2 礦山概況

臥虎山礦床賦存在雁翎關(guān)組頂部含鐵片巖中，由多個帶狀礦層組成，帶狀礦層呈NW～SE向展布，總體走向330°，傾向SW，傾角23°～68°，平均48°，長1 400m，厚度一般21～50m，平均32m，屬于典型的傾斜中厚礦體。

采用預(yù)控頂上向分段落礦嗣后充填采礦法，礦房垂直礦體走向布置，階段高度60m，分4個分段回采，礦房跨度12.5m，高度15m，長度為礦體厚度，在每個礦房頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)，即預(yù)控頂，預(yù)控頂高度3m。每100m設(shè)置礦房間柱，間柱寬度12m，礦房不留頂?shù)字?，礦房和礦柱交替布置，礦房回采結(jié)束后間柱采用上向高分層預(yù)控頂充填采礦法回采，采礦方法見圖1。CS- 100D高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)施工下向平行孔，1m3電鏟和2m3油鏟出礦， 礦房回采完成后進(jìn)行充填。

圖1 采礦方法圖

3 模型構(gòu)建與方案設(shè)計

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)礦山實際情況，選擇比較有代表意義的29線附近礦體為研究對象，建立礦體和圍巖的三維數(shù)值模型。所建三維實體模型如圖2a所示，模型尺寸為：長度800m，寬500m，豎直高度到地表。礦體為27～31線之間實際礦體模型，根據(jù)圣維南原理，模型對所研究采場開挖的影響符合實際。對所建立實體模型劃分網(wǎng)格，生成三維網(wǎng)格如圖2b所示。依據(jù)點荷載試驗和Hoek- Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定礦巖巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型

3.2 均勻試驗設(shè)計

模擬設(shè)計了5個采場，如圖2b所示：一步驟模擬回采采場2和采場4；二步驟模擬回采采場1、3、5。模擬15種方案下一步驟回采完畢后空區(qū)周圍應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化情況，以此選擇最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在不改變現(xiàn)有采礦方法的前提下，為了減少礦石損失率和保持采場的穩(wěn)定性，提出10、12.5、15、17.5、20m的采場跨度和10、12.5、15m分段高度共15種方案，見表2。

表1 臥虎山礦巖巖體力學(xué)參數(shù)

表2 方案設(shè)計表

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

各方案模擬均采用自重應(yīng)力達(dá)到初始應(yīng)力平衡，一步驟回采完畢后，通過輸出采場不同跨度和高度下15種方案的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化情況分析，進(jìn)而選擇最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 方案一沿傾向主應(yīng)力圖

圖3是方案一沿傾向一步驟回采兩個礦房后采場周邊圍巖沿傾向的應(yīng)力云圖，圖4為方案一和方案二一步驟回采后采場頂?shù)装逦灰圃茍D，圖5是15種方案頂板最大拉應(yīng)力和礦柱最大壓應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果(各方案的位移均小于20mm，影響較小，不做統(tǒng)計)，選取采場頂?shù)装寮爸虚g礦柱作為分析的關(guān)鍵部位，將關(guān)鍵部位中的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力作為分析不同方案下采場穩(wěn)定性狀況的指標(biāo)。

圖4 沿傾向豎向位移圖

圖5 數(shù)值模擬采場應(yīng)力統(tǒng)計圖

表3為15種方案下一步驟回采結(jié)束留下的2個采空區(qū)中間礦柱的塑性區(qū)域云圖。

4.2 結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，礦體開挖后，采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拉應(yīng)力集中，采空區(qū)頂板及上覆巖層自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩幫的礦柱中，造成圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域，特別是在兩個采空區(qū)之間留下的間柱之間。采場空區(qū)的頂板出現(xiàn)下沉，底板出現(xiàn)上鼓，最大值均在頂板或底板中央位置附近。在采場高度一定時，隨著跨度的增加，頂?shù)装逦灰苹境手饾u增大的趨勢，跨度為20m時位移最大。但位移整體較小，小于20mm，由巖體開挖容許極限位移量判據(jù)可知，各方案位移對工程穩(wěn)定性影響較小。

表3沿傾向塑性區(qū)云圖

從圖5中可以看出，隨著高度的增加，采場頂?shù)装謇瓚?yīng)力值整體呈減小的趨勢。方案五和方案十的拉應(yīng)力值都達(dá)到了圍巖抗拉強(qiáng)度值的70%，當(dāng)滿足一定條件時，巖體可能失穩(wěn)。方案一至方案十中，方案七的拉應(yīng)力相對于其他方案明顯偏小，方案十一至方案十五較前10種方案偏小。最大壓應(yīng)力值整體變化不大，在13.17～14.73MPa之間，都超過了巖體抗壓強(qiáng)度的70%，雖然沒有超過峰值強(qiáng)度，但可能達(dá)到臨界失穩(wěn)破壞。

由表3的塑性區(qū)發(fā)展情況可知，采空區(qū)周邊圍巖經(jīng)開挖擾動后，局部位置圍巖的彈性變形超過了巖體的彈性極限，在圍巖中形成塑性變形區(qū)，出現(xiàn)受最大壓應(yīng)力或最大拉應(yīng)力的部位。當(dāng)采場高度一定時，隨著跨度的增加，塑性區(qū)域范圍逐漸增加，特別是跨度達(dá)到15m及以上時，塑性區(qū)域明顯，在采場2、4開挖后的間柱之間，塑性區(qū)連成片，間柱下部基本貫通，最后形成一個連通的屈服區(qū)域。而當(dāng)跨度為10m和12.5m時，塑性區(qū)很少或者零星狀，甚至沒有塑性區(qū)出現(xiàn)。綜合塑性區(qū)分析認(rèn)為，方案三、四、五、八、九、十、十三、十四、十五的塑性區(qū)貫通連接成片，開挖后的圍巖不能自穩(wěn)。方案一、二、六、七、十一、十二開挖后塑性區(qū)少，沒有相互貫通的趨勢，圍巖穩(wěn)定性最好。

綜合各因素，初步確定方案七(即采場跨度12.5m，高度12.5m)和方案十二(即采場跨度12.5m，高度15m)兩種方案的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)。

4.3 自適應(yīng)表征分析

一步驟回采完畢后，方案七和方案十二參數(shù)最優(yōu)，進(jìn)一步分析充填后的二步驟回采，數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案十二雖然在方案七的基礎(chǔ)上增加了采場高度，提高了礦石產(chǎn)量，但方案十二比方案七增加了2.5m采場高度后，爆破和礦巖邊界控制難度增加，爆破大塊度增多，礦石損失貧化率增加。為分析合理的優(yōu)化參數(shù)，并通過參數(shù)自適應(yīng)地下礦山生產(chǎn)優(yōu)化，對不同參數(shù)下的采場生產(chǎn)工藝自適應(yīng)表征分析。

(1)方案十二進(jìn)一步擴(kuò)大了礦山采場回采高度，在跨度一定的條件下，進(jìn)一步加大采場的生產(chǎn)能力。但對于既有老礦山而言，高度的增加在工藝上增加了新的成本，自適應(yīng)性降低，主要表現(xiàn)為需要增加鑿巖設(shè)備的投入，提高鑿巖設(shè)備鉆鑿深度和效率；改變上行開采的階段高度，重新設(shè)計開拓系統(tǒng)；充填系統(tǒng)及其充填體強(qiáng)度需要進(jìn)一步得到強(qiáng)化，減少多次分層的離析效應(yīng)。在局部不影響礦山整體開拓系統(tǒng)的條件下，可運(yùn)用局部、邊部的采場提高采礦生產(chǎn)強(qiáng)度，增加采場參數(shù)對礦巖體的自適應(yīng)性。

(2)方案七局部效應(yīng)要劣于方案十二，但整體上對礦山巖體力學(xué)特性和工藝參數(shù)具有更好的自適應(yīng)性，是適合礦山當(dāng)前條件下的高效回采工藝參數(shù)，表現(xiàn)在不需要對階段參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以直接減少一個分層，提高礦山整體的經(jīng)濟(jì)效益；增加了2.5m的鑿巖厚度，仍處于礦山鑿巖設(shè)備有效的鑿巖深度區(qū)間；同時增加了礦山采場跨度和高度，提高采場的生產(chǎn)能力。二步驟回采對充填體要求更高，來保證充填后的安全穩(wěn)定性，由于增加的高度值有限，由數(shù)值分析結(jié)果可知，在當(dāng)前的充填配比下具有穩(wěn)定性要求。

綜合考慮，選擇方案七的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場跨度12.5m、高度12.5m、預(yù)控頂3.5m為最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，但在礦巖穩(wěn)固的條件下，可以適當(dāng)增加跨度，建議不要超過15m，進(jìn)行實際工程實踐指導(dǎo)。

5 結(jié)語

基于3DMine- Midas- Flac3D耦合建模數(shù)值模擬技術(shù)和自適應(yīng)表征分析，獲得了臥虎山采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，方案七為最佳采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，即采場長30m、跨度12.5m、高度12.5m、預(yù)控頂高度3.5m，具有更高的自適應(yīng)性。方案十二采場高度15m，可以在不影響開拓系統(tǒng)的條件下采用。