趙 楊， 李向東， 朱遠樂， 王 濤*

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室， 武漢 430072；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 長沙 410012)

金川礦區(qū)采用下向進路膠結(jié)充填采礦法.充填采礦法于20世紀(jì)30年代起源于加拿大，經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為一種高強度、高效率、高回采率的采礦方法.礦山深部開采，特別是高地應(yīng)力、大范圍開采下，采場失穩(wěn)風(fēng)險高、潛在風(fēng)險高[1].金川礦區(qū)深部開采采用蜂窩式結(jié)構(gòu)驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了大面積連續(xù)開采，提高了礦區(qū)生產(chǎn)效率，金川礦區(qū)充填法采礦技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平[2].在深部開采中，充填采礦法有利于地壓平穩(wěn)釋放及減少巖爆的發(fā)生，與其他采礦技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢，在礦山開采工程中得到了廣泛認(rèn)同[3].充填采礦法在20世紀(jì)60、70年代被引入我國，廣泛應(yīng)用于有色金屬礦山開采，獲得了長足發(fā)展.陶干強等[4]結(jié)合國內(nèi)某錫礦山，以有限元法為手段進行充填法采礦中采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，對開采方案進行綜合評價.于世波等[5]以某鐵礦工程為研究對象，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比，研究充填體對圍巖變形控制作用.葉義成等[6]以上橫山礦為例，構(gòu)建物理相似模型，研究回采順序?qū)ο锏雷冃蔚挠绊?尚振華等[7]運用有限差分方法對我國某大型銅礦多中段回采順序優(yōu)化展開研究.趙千里等[8]采用有限差分方法對金川礦區(qū)豎井開挖展開研究，研究發(fā)現(xiàn)深部襯管應(yīng)力變形大，證明了釋放位移法施工技術(shù)有助于減小襯管變形.江權(quán)等[9]提出了運用激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測方法，并運用于金川二礦區(qū)巷道變形監(jiān)測中，根據(jù)監(jiān)測資料研究開采支護合理時機.回采順序優(yōu)化是充填采礦法研究的重點問題之一，數(shù)值模擬是研究回采順序優(yōu)化的重要手段.

為了進一步提高采礦效率，諸多礦區(qū)開辟多個工作面，采用雙中段以及多中段的開采方案.多中段開采過程中會產(chǎn)生大面積水平礦柱，水平礦柱的安全及回采問題成為礦區(qū)生產(chǎn)安全問題的關(guān)鍵影響因素.黃昌興等[10]針對彝良某鉛鋅礦多中段水平礦柱的回采問題展開研究，提出六邊形-矩形聯(lián)合進路布置方式來提高水平礦柱穩(wěn)定性.程龍[11]以江西省宜豐新莊銅鉛鋅礦區(qū)為例，展開滲流場和應(yīng)力場共同作用下防水礦柱留設(shè)寬度研究.吳順川等[12]以甘肅某礦為例，用有限差分法研究水平礦柱回采過程中礦柱力學(xué)響應(yīng)及沉降規(guī)律.水平礦柱穩(wěn)定性是多中段開采穩(wěn)定性研究的重點.

金川二礦區(qū)采用大面積不留礦柱充填法同時開采兩中段時，遇到了諸多問題.該礦區(qū)礦體埋藏較深，地應(yīng)力較高，對開采穩(wěn)定造成嚴(yán)重不良影響[13].雙中段開采中，兩中段之間會產(chǎn)生水平礦柱，且隨著開采的進行，水平礦柱逐漸變薄，剛度減小，承載力降低，水平礦柱的“抵頂作用”會造成開采巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形[14].金川礦區(qū)分期開采，致使前期開采留下大體積充填體，礦山進入深部開采后，上覆大體積充填體的穩(wěn)定性是影響礦山生產(chǎn)安全的重要因素[15].

針對金川二礦區(qū)開采形成的水平礦柱、大體積充填體失穩(wěn)風(fēng)險及高地應(yīng)力下雙中段同時開采圍巖穩(wěn)定性問題，本文以有限差分?jǐn)?shù)值模擬的手段對回采順序?qū)﹂_采穩(wěn)定性的影響進行研究，并比較選擇了開采順序，為改善金川礦區(qū)開采作業(yè)環(huán)境，保證礦山生產(chǎn)安全性提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)上的支持.數(shù)值模擬方法目前已成為工程問題研究的重要手段[16-17].以往關(guān)于金川礦區(qū)的研究由于模型粗糙和計算方法的限制等問題，存在數(shù)值模擬結(jié)果與實際有所偏差的可能[18-19].本文借助于三維地質(zhì)模型軟件GOCAD中的離散光滑插值法建立了精細的礦體FLAC3D模型，針對長沙礦山研究院采礦中心提出的中段開采對照方案，中段的開采采取從左至右、從中間到兩邊、從兩邊到中間依次開采各個盤區(qū)的方案，通過數(shù)值計算綜合比較不同開采方案下充填體、水平礦柱穩(wěn)定性，選取最優(yōu)開采方案.

1 金川礦區(qū)開采條件

位于甘肅金昌市的金川礦區(qū)是中國三大多金屬共生礦之一，目前已有年產(chǎn)300萬t的能力，是我國重要的鎳鈷生產(chǎn)基地.二礦區(qū)是金川鎳礦床礦體重要礦區(qū)之一，其在規(guī)模、礦石品位、儲量上在國內(nèi)均占據(jù)顯著優(yōu)勢.

1.1 金川礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

金川礦區(qū)位于龍首山北東段北東側(cè)，礦床主要以白云質(zhì)大理巖、黑云母片麻巖及云母石英片巖為基底.如圖1所示，二礦區(qū)位于金川礦區(qū)東側(cè)，與一礦區(qū)以F16斷層為界.二礦區(qū)巖體全長約3 000 m，總體走向為北西50°，傾向南西，傾角50°至80°.二礦區(qū)主礦體為1#和2#礦體，其中1#礦體位于該礦區(qū)西部，富礦體長約1 300余m，鎳金屬量占該礦區(qū)76.5%.本文以金川二礦區(qū)1#礦體為研究對象.

圖1 金川礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖[2]Fig.1 Geological structure of Jinchuan mining area[2]

1.2 金川礦區(qū)巖土力學(xué)參數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)的選取對數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性、現(xiàn)實可用性起著重要作用[20].金川礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，因變質(zhì)作用影響，致使各類巖體力學(xué)性質(zhì)變化劇烈，因此該地區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)確定困難.本文參照各科研院所深入細致的調(diào)查結(jié)果，經(jīng)過反復(fù)對比分析，選取表1中的符合FLAC3D軟件計算特點數(shù)據(jù)作為計算參數(shù).

表1 礦區(qū)巖體及充填體力學(xué)參數(shù)

1.3 金川礦區(qū)開采現(xiàn)狀

金川二礦區(qū)采用大面積不留礦柱充填開采方式自上而下逐層開采，在垂直方向上礦體共劃分為五個中段，每個中段又劃分為若干分段，每個分段為20 m；在水平方向上礦體每100 m劃分為一個盤區(qū)，盤區(qū)又劃分為若干條帶.該礦區(qū)開采工作分期進行，一期工程目標(biāo)開采1 250 m以上的礦體，包括1 250 m中段和1 300 m中段，于1998年完成回采工作；二期工程已經(jīng)完成1 150 m中段的回采工作，計劃采用多中段同時開采的方式進行1 000 m中段和850 m中段回采，本文將對該問題展開研究.

2 數(shù)值模擬模型

2.1 計算幾何模型

本文采用在巖土力學(xué)計算中廣泛應(yīng)用的FLAC3D程序進行數(shù)值模擬，其采用三維快速拉格朗日差分方法求解.為了模擬真實的回采環(huán)境、準(zhǔn)確地再現(xiàn)礦體復(fù)雜邊界，采用了三維地質(zhì)模型軟件GOCAD中的離散光滑插值法進行模擬.根據(jù)二維CAD數(shù)據(jù)，建立不同高程礦體邊界控制曲線，在曲線上建立控制點，然后設(shè)置邊界約束，由線生成面，進一步生成礦體模型，在礦體模型的建立過程中多次運用離散光滑插值方法.最終將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)計算網(wǎng)格(SGRID)模型，再通過FLAC3D中FISH語言編制成的接口程序提取模型網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)，導(dǎo)入計算軟件中，建立最終計算模型(圖2).該模型底部高程100 m，頂部高程1 500 m，共有196 000個單元，206 681個節(jié)點.模型中Z方向為豎直向上方向，X方向為礦體走向，Y方向垂直于礦體走向.

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

2.2 本構(gòu)模型

本文中采用以Mohr-Coulomb模型為屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，用于模型圍巖、礦體和充填體，F(xiàn)LAC3D以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則(圖3)為基礎(chǔ)建立其本構(gòu)模型，彈性計算準(zhǔn)則為如下胡克定律增量表達式：

(1)

(2)

(3)

塑性屈服準(zhǔn)則分為剪切屈服準(zhǔn)則和拉伸屈服準(zhǔn)則，公式表達分別為式(4)和(5).流動法則如式(6)所示.

Fs=σ1-σ3Nφ+2cNφ，

(4)

Ft=σt-σ3，

(5)

h=σ3-σt+ap(σ1-σp)，

(6)

式中,

在FLAC3D中規(guī)定σ1≤σ2≤σ3，故單元應(yīng)力只處于σ3-σ1=0左側(cè)，其左側(cè)區(qū)域又被剪切屈服準(zhǔn)則線(Fs=0)、拉伸屈服準(zhǔn)則線(F-t=0)和流動法則線(h=0)劃分為三個區(qū)域，其中區(qū)域1為彈性區(qū)，區(qū)域2為剪切塑性區(qū)，區(qū)域3為拉伸塑性區(qū).

圖3 FLAC3D中的 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則Fig.3 FLAC3D Mohr-Coulomb failure criterion

2.3 初始地應(yīng)力條件

金川二礦區(qū)礦體埋深大，地應(yīng)力對采礦穩(wěn)定性影響較大.因此確定地應(yīng)力參數(shù)對數(shù)值模擬真實性影響較大，本文參考北京科技大學(xué)蔡美峰等[21]的研究成果，該成果已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其準(zhǔn)確性得到了驗證.金川二礦區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向為水平，垂直主應(yīng)力基本以上覆巖體重力作用為主，水平主應(yīng)力約為垂直主應(yīng)力的1.69～2.27倍.對地應(yīng)力測量結(jié)果線性回歸得出以下主應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律，其中，應(yīng)力數(shù)值以壓應(yīng)力為負，拉應(yīng)力為正.

σH=-0.098-0.0507H,

(7)

σh=0.015-0.0200H,

(8)

σV=0.208-0.0254H,

(9)

式中,σH為最大水平主應(yīng)力，單位為MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，單位為MPa；σV為垂直主應(yīng)力，單位為MPa；H為測點埋深，單位為m.

3 數(shù)值模擬結(jié)果

為了研究二礦區(qū)雙中段合理回采順序，設(shè)置三種中段開采方案，分別是從方案1左到右依次開采(圖4(a))、方案2從兩邊到中間依次開采(圖4(b))和方案3從中間到兩邊依次開采(圖4(c)).

圖4 開采方案Fig.4 Mining schemes

開采過程中，兩中段相應(yīng)位置同時進行，巖體穩(wěn)定后，進行回填作業(yè).首先依次對1 300 m中段、1 250 m中段和1 150 m中段進行開采和回填，然后對1 000 m中段和850 m按照設(shè)計方案進行開采回填模擬直至水平礦柱厚度為20 m.通過綜合對比1 000 m水平礦柱、1 250m以上大體積充填體及圍巖彈塑性狀態(tài)、應(yīng)力、沉降狀況等來綜合評價各方案的安全性.

3.1 應(yīng)力計算結(jié)果分析

圖5、圖6中的應(yīng)力(單位：MPa)的計算結(jié)果表明：三種采礦方案下，方案1水平礦柱1 000 m處應(yīng)力釋放更均勻，另外，三種方案下礦體邊界處均有小區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象.從圖7、圖8中可以看出，運用方案1采礦下1 250 m以上充填體應(yīng)力狀態(tài)顯著優(yōu)于方案2、方案3，應(yīng)力釋放更均勻，且無應(yīng)力集中現(xiàn)象.三種采礦方案下，水平礦柱1 000 m處、充填體1 250 m處均無拉應(yīng)力產(chǎn)生.

圖5 水平礦柱1 000 m處最大壓應(yīng)力云圖Fig.5 The cloud picture of maximum compressive stress of horizontal pillar at 1 000 m

圖6 水平礦柱1 000 m處最小壓應(yīng)力云圖Fig.6 The cloud picture of minimum compressive stress of horizontal pillar at 1 000 m

圖7 充填體1 250 m處最大壓應(yīng)力云圖Fig.7 The cloud picture of maximum compressive stress of backfill at 1 250 m

圖8 充填體1 250 m處最小壓應(yīng)力云圖Fig.8 The cloud picture of maximum compressive stress of backfill at 1 250 m

圖9、圖10為典型垂直截面處應(yīng)力云圖，由圖可知，方案1對周圍巖體擾動相對來說更小，整體應(yīng)力釋放更加均勻.三種方案均有小區(qū)域充填體產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大值分別為0.32 MPa、0.25 MPa、0.39 MPa，均小于充填體抗拉強度0.6 MPa，其中方案2產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域更大.

圖9 截面處最大壓應(yīng)力云圖Fig.9 The cloud picture of maximum compressive stress at section

圖10 截面處最小壓應(yīng)力云圖Fig.10 The cloud picture of minimum compressive stress at section

3.2 沉降計算結(jié)果分析

圖11說明在開采過程中，1 000 m水平礦柱中部出現(xiàn)較大沉降，主要因為礦柱中部跨度更大.方案1中水平礦柱沉降(單位：m)最小，方案1水平礦柱沉降最大值為0.62 m，方案2、方案3中最大位移值分別為1.27 m、1.32 m.圖12說明1 250 m充填體在邊緣出現(xiàn)較大沉降，主要因為充填體位于接觸面下方，圍巖對其支撐作用小.對充填體支撐作用小.方案1中充填體沉降最小，方案1充填體沉降最大值為0.62 m，方案2、方案3最大值分別為0.69 m、0.71 m.

圖11 水平礦柱1 000 m處沉降云圖Fig.11 The cloud picture of settlement of horizontal pillar at 1 000 m

圖12 充填體1 250 m處沉降云圖Fig.12 The cloud picture of settlement of backfill at 1 250 m

圖13中，方案2、方案3的1 250 m以上充填體沉降顯著大于方案1，以1 000 m水平礦柱沉降來看，方案1的優(yōu)越性更加明顯.方案1中該截面最大沉降為0.68 m，方案2、方案3最大沉降分別為1.21 m、1.26 m.在850 m中段處，充填體因高水平構(gòu)造應(yīng)力作用，會發(fā)生向上隆起現(xiàn)象.從數(shù)值來看，方案1最大隆起為0.33 m，方案2、方案3最大隆起分別為0.44 m、0.46 m，且從分布范圍來看，方案1發(fā)生隆起區(qū)域更小，整體隆起幅度小.

圖13 截面處沉降云圖Fig.13 The cloud picture of settlement at section

計算中，在1 000 m水平礦柱沉降較大區(qū)域中軸線設(shè)置三個監(jiān)測點，位置如圖2 (d)所示，監(jiān)測了其在采礦過程中沉降變化，將三點監(jiān)測結(jié)果取均值后繪制曲線圖(圖14).方案1中水平礦柱沉降在開采過程中一直小于方案2、方案3，且方案1中沉降變化均勻，沒有發(fā)生陡然沉降.方案2、方案3在前期開挖過程中，礦柱突發(fā)約1 m沉降，開采過程中要引起重視.

圖14 水平礦柱1 000 m沉降變化曲線Fig.14 The settlement curve of horizontal pillar at 1 000 m

3.3 彈塑性狀態(tài)計算結(jié)果分析

圖15是礦體1 000 m高程處截面，展示了水平礦柱底部巖體彈塑性狀態(tài).圖16為充填體1 250 m高程處截面，展示了大體積充填體底部巖體彈塑性狀態(tài).從結(jié)果來看，1 000 m水平礦柱塑性區(qū)主要集中在大跨度區(qū)域中部，其中方案1塑性區(qū)整體比方案2、方案3面積小且沒有貫通.1 250 m充填體狀態(tài)三者均在充填體邊緣產(chǎn)生塑性區(qū)，方案2、方案3塑性區(qū)比方案1更加貫通，面積更大，危險性更高.綜合比較下，方案1即從左至右依次開采1 000 m中段與850 m中段更有利于開采的穩(wěn)定.

圖15 水平礦柱1 000 m處彈塑性狀態(tài)分布圖Fig.15 The elastic-plastic state distribution of horizontal pillar at 1 000 m

圖16 充填體1 250 m處彈塑性狀態(tài)分布圖Fig.16 The elastic-plastic state distribution of backfill at 1 250 m

4 結(jié)論

本文以金川二礦區(qū)開采為例，采用有限差分法進行礦區(qū)開采中雙中段開采回采順序研究及水平礦柱和大體積充填體穩(wěn)定性計算研究，綜合對比分析三種開采方案計算結(jié)果，得出以下結(jié)論.

1) 相比其他方案，方案1圍巖應(yīng)力釋放更均勻，水平礦柱、大體積充填體沉降更小，開采過程中變形穩(wěn)定，均勻增長.方案2和方案3水平礦柱、充填體沉降遠大于方案1，變形過程也出現(xiàn)急速變化，特別是方案2水平礦柱出現(xiàn)大面積塑性區(qū).經(jīng)過綜合對比不同方案下采場穩(wěn)定性表明方案1即從左至右依次開采各個盤區(qū)沉降較小，應(yīng)力釋放更均勻，更有利于保證采礦作業(yè)的安全，最終推薦金川公司采用該方案進行1 000 m中段和850 m中段的同時開采.

2) 1 000 m中段和850 m中段同時開采過程中，應(yīng)重點監(jiān)測1 000 m水平礦柱大跨度區(qū)域沉降，建議采取細分盤區(qū)，分步開采的方案，或在850 m中段內(nèi)設(shè)立垂直保安礦柱.1 250 m以上大體積充填體易在邊界發(fā)生失穩(wěn)，可采用錨桿支護加強圍巖對充填體的支護作用.