李 路，徐 鵬，賀 超，王乃斌，鄒 平，王飛飛

（1.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

地下采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)于礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要，合理的采場結(jié)構(gòu)能夠提高礦山生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益［1－2］，有效控制井下開采造成的地表沉陷、垮塌等礦山災(zāi)害［3－4］。不同礦山因工程地質(zhì)差異較大，采場結(jié)構(gòu)不能完全照搬其他礦山［5－10］。剛果（金）某銅鈷礦深部礦體開展初步設(shè)計(jì)，急需推薦采場最優(yōu)礦房寬度、地表危險(xiǎn)范圍與巖層移動(dòng)角。本文依據(jù)實(shí)際工程情況，建立了礦區(qū)三維實(shí)體模型，模擬礦體在不同礦房寬度開采情況下的地表位移、最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力以及模型塑性區(qū)分布等情況，依據(jù)結(jié)果推薦最優(yōu)的礦房寬度；最后基于地表位移，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法得到了巖層移動(dòng)角，研究結(jié)果可為礦山開采設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 礦山概況

剛果（金）某銅鈷礦位于上加丹加省利卡西市北，銅鈷礦床按礦體分布分為中礦體、主礦體、西礦體、西南礦體、北礦體、南Ⅰ礦體、南Ⅱ礦體、東Ⅰ礦體、東Ⅱ礦體及深部礦體等10個(gè)礦體，東西長3.7 km，南北長2.3 km。

深部礦體賦存標(biāo)高＋950～＋1 164 m，埋深＋250～＋500 m。含礦地質(zhì)體整體呈板狀向SSE緩傾（傾角10°～15°），南北寬400～900 m，東西長約1 300 m，厚100～300 m，全部由羅安群礦山亞群地層組成，地質(zhì)體內(nèi)巖層產(chǎn)狀穩(wěn)定。深部礦體主要位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，地表大部分被第四系松散堆積物所覆蓋。水文地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型。

擬采用中深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V，以盤區(qū)形式布置采場。推薦盤區(qū)平面尺寸為100 m×150 m，每個(gè)盤區(qū)內(nèi)布置12個(gè)礦塊，礦塊長45 m、寬25 m，盤區(qū)中央預(yù)留10 m間柱，礦塊高度為礦體厚度，礦塊分礦房和礦柱兩步回采，盤區(qū)內(nèi)礦房和礦柱回采結(jié)束后進(jìn)行間柱的回采。優(yōu)先開采品位較高的990 m中段，采用自上而下的開采順序，990 m中段開采結(jié)束后開采950 m中段，最后開采1 030 m中段。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)礦山提供的地質(zhì)圖資料，經(jīng)過一系列處理后獲得了工程地質(zhì)剖面圖，導(dǎo)入MIDAS?GTS／NX軟件中生成計(jì)算模型。模型長1 678 m、寬1 360 m，高640～745 m。采場長60 m、高40 m、寬16～20 m，礦柱寬18 m。該模型包括了地表地層、礦化層、微風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖、全風(fēng)化白云巖、構(gòu)造角礫巖、泥質(zhì)白云巖粉砂巖等巖層。該模型共建立了528個(gè)實(shí)體。

考慮到礦山模型較大，對(duì)于非研究重點(diǎn)區(qū)域，網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏。而開采礦體為本次研究重點(diǎn)，網(wǎng)格劃分較密［11－12］。采場網(wǎng)格劃分密度為5 m，劃分1 m為一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，其他巖層網(wǎng)格密度為20 m，地表模型網(wǎng)格劃分密度為10 m。最后劃分網(wǎng)格后模型有65 422個(gè)節(jié)點(diǎn)、389 206個(gè)單元。最終劃分的三維網(wǎng)格如圖1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

三維模型計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

為了研究該銅鈷礦深部礦體開采的合理采場寬度，建立了3種詳細(xì)的三維數(shù)值分析模型。3種采場寬度分別設(shè)置為16 m、18 m與20 m，每種采場寬度對(duì)應(yīng)一種數(shù)值分析模型。依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析采場寬度對(duì)地表位移、礦體中留存礦柱應(yīng)力及礦體中塑性區(qū)等的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 模型位移分析

為了研究深部礦體的開采對(duì)地表的影響，對(duì)模擬開采后的地表豎直方向位移進(jìn)行提取，得到了地表測點(diǎn)產(chǎn)生的豎直方向位移。不同采場寬度條件下得到的地表測點(diǎn)位移如圖2所示。以產(chǎn)生豎直方向位移10 mm為界限，可得到開采深部礦體對(duì)地表位移的影響范圍。由圖2可知，采場寬度16 m、18 m和20 m時(shí)的地表沉降位移分別為20.18 mm、21.42 mm和27.15 mm。對(duì)比分析可知，采場寬度16 m與18 m對(duì)地表沉降影響相近，由此可知，從深部礦體開采對(duì)上部巖層影響的角度分析，優(yōu)選采場寬度18 m。從3種采場寬度對(duì)上部巖層影響程度看，采場寬度20 m對(duì)采場影響較大，由此可知，采場寬度18 m為最優(yōu)選擇。

圖2 地表測點(diǎn)沉降位移

采場寬度16 m、18 m和20 m時(shí)深部礦體開采對(duì)地表位移影響范圍分別為1 012 m、1 033 m和1 245 m。由以上分析可知，優(yōu)選采場寬度18 m。

3.2 模型應(yīng)力分析

為了研究開采深部礦體對(duì)上部巖層應(yīng)力的影響，計(jì)算了開采后的巖層與礦體的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力。對(duì)模型最后步驟得到的礦體中的應(yīng)力進(jìn)行提取、分析，判斷礦體受到的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力是否大于礦化層強(qiáng)度。若礦體中的拉、壓應(yīng)力均小于礦化層強(qiáng)度，則可以初步判斷在礦體中留存礦柱的穩(wěn)定性。不同采場寬度條件下的應(yīng)力云圖如圖3～5所示。

圖3 采場寬度16 m工況模型應(yīng)力

由圖3可知，采場寬度16 m條件下，模型中最大拉應(yīng)力1.05 MPa、最大壓應(yīng)力12.21 MPa。由于最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力沒有產(chǎn)生在采場及其較近圍巖中，且礦體抗拉強(qiáng)度為1.11 MPa，大于模型最大拉應(yīng)力，采場在理論上不會(huì)發(fā)生拉破壞；礦體抗壓強(qiáng)度為22.13 MPa，大于模型最大壓應(yīng)力，能夠保證安全生產(chǎn)。

由圖4可知，采場寬度18 m條件下，模型中最大拉應(yīng)力1.03 MPa、最大壓應(yīng)力14.62 MPa，均小于礦體抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，采場在理論上不會(huì)發(fā)生拉伸破壞，能夠保證安全生產(chǎn)。

由圖5可知，采場寬度20 m條件下，模型中最大拉應(yīng)力1.08 MPa、最大壓應(yīng)力15.79 MPa，均小于礦體抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

圖5 采場寬度20 m工況模型應(yīng)力

3種采場寬度數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采場寬度對(duì)應(yīng)力值影響較小。從云圖可知，深部礦體開采后礦柱承擔(dān)了上部巖層的重力，礦柱中壓應(yīng)力較大，但留存的18 m礦柱能夠滿足應(yīng)力要求，保證安全生產(chǎn)。

3.3 模型塑性區(qū)分析

為了研究開采深部礦體對(duì)巖層的影響，通過建立三維數(shù)值分析模型模擬開采過程，得到了模型塑性狀態(tài)與塑性區(qū)分布，不同采場寬度條件下應(yīng)力云圖如圖6所示。通過分析塑性區(qū)分布能夠了解到可能發(fā)生塑性破壞的位置，以便更好地指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

圖6 塑性區(qū)分布

由圖6可知，各采場寬度條件下，礦體大部分巖層中塑性狀態(tài)很好，沒有產(chǎn)生塑性區(qū)。在開采的礦體上部部分中風(fēng)化白云巖巖層與礦體下部強(qiáng)度較低的泥質(zhì)白云巖粉砂巖中產(chǎn)生了塑性區(qū)，采場寬度16 m、18 m和20 m時(shí)產(chǎn)生的塑性區(qū)分別占整個(gè)模型的16.2%、24.7%和25.1%。塑性區(qū)主要集中在充填體中，礦柱中基本沒有產(chǎn)生塑性區(qū)。

通過對(duì)比3種采場寬度開采的模型可知，采場寬度16 m模型產(chǎn)生的塑性區(qū)面積最小，采場寬度18 m模型的塑性狀態(tài)最好，在采場及下部泥質(zhì)白云巖粉砂巖中產(chǎn)生的塑性變化的體積較小。采場寬度20 m模型塑性狀態(tài)最差、塑性區(qū)體積最大。采場寬度18 m為最優(yōu)尺寸。

4 地表移動(dòng)范圍圈定

該銅鈷礦礦體上部賦存較厚的微風(fēng)化白云巖，巖性好，深部礦體開采對(duì)地表的影響較小，地表產(chǎn)生的沉降亦較小。本次分析以15 mm下沉值的點(diǎn)來確定危險(xiǎn)移動(dòng)邊界線。在剖面上采空區(qū)邊界點(diǎn)和盆地危險(xiǎn)邊界點(diǎn)連線與水平線間在采空區(qū)外側(cè)的夾角為移動(dòng)角。

根據(jù)圈定范圍的原則初步計(jì)算得到圈定的該銅鈷礦地表移動(dòng)角與移動(dòng)范圍如表2和圖7所示。推薦采場寬度18 m，此時(shí)地表移動(dòng)危險(xiǎn)變形分界線為礦體中心點(diǎn)南北711 m、東西517 m，地表移動(dòng)角75°。

表2 地表移動(dòng)角與移動(dòng)范圍統(tǒng)計(jì)

圖7 地表移動(dòng)角與移動(dòng)范圍

5 結(jié) 論

為了推薦最優(yōu)礦房寬度，獲得礦山巖體移動(dòng)角與危險(xiǎn)邊界，采用數(shù)值模擬軟件MIDAS?GTS／NX建立了3種不同礦房寬度的三維模型，分別研究了不同礦房寬度條件下的地表位移、礦房應(yīng)力與塑性區(qū)分布情況，通過分析三維模擬結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過分析不同采場寬度工況下的地表位移、礦房最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力分布及大小、礦房塑性區(qū)分布等，推薦最優(yōu)采場寬度18 m。

2）采用數(shù)值分析方法計(jì)算得到采場寬度16～20 m條件下的地表危險(xiǎn)范圍，其中采用推薦的18 m采場寬度時(shí)，開采深部礦體產(chǎn)生的地表移動(dòng)危險(xiǎn)變形邊界線為礦體中心點(diǎn)南北711 m、東西517 m，地表移動(dòng)角75°。

3）剛果（金）某銅鈷礦深部礦體采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采，對(duì)巖層移動(dòng)有很好的控制作用，在滿足設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度、接頂良好與及時(shí)充填的情況下，巖層移動(dòng)角為73°～82°。