基于开拓巷道稳定性分析的泥河铁矿阶段开采顺序研究

刘艳章 陈小强 潘世华 邹晓甜 张 群 张丙涛

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430081)

泥河铁矿是由含硫磁铁矿及中型硬石膏矿、硫铁矿等组成的多矿种的大型地下矿山［1］，其一期工程主要开采－830 m 阶段和－750 m 阶段。针对一期工程矿床的开采，可选的阶段开采顺序有自上而下和自下而上2 种方案。不合理的开采顺序可能会导致巷道及采场的失稳，甚至引起地表的变形及塌落［2-3］，因此研究泥河铁矿矿床合理的阶段开采顺序对矿区安全生产和环境保护具有重要意义。目前，针对这一问题，通常采用的研究手段有现场实测技术、物理模拟实验法、数值模拟分析法等［4］。上述方法通过对比分析不同阶段开采顺序下采场及围岩的位移、应力分布状态，从而确定合理的阶段开采顺序［5-6］。工程实践中，现场实测技术和物理模拟实验法由于受到人力物力及现场条件等因素制约，其应用受到一定的限制。数值模拟技术在矿山地下工程领域应用十分广泛，通常运用有限差分法、边界元法和有限元法的模拟分析法较多［7-8］。开拓巷道作为采矿生产过程中的主要运输通道，其稳定性关系到矿山地下开采的各个环节［9］，是衡量阶段开采顺序优劣的重要评判依据。结合矿山实际情况，本研究运用有限元数值分析软件ANSYS 对不同阶段开采顺序下开拓巷道的稳定性进行二维数值模拟研究，并根据开拓巷道的稳定性状况确定合理的阶段开采顺序。

1 工程概况

泥河铁矿一期开采南西区(11 线～6 线)－670 m ～－830 m 之间高品位磁铁矿，主要开采对象为I号铁矿体。I 号铁矿体主要赋存于闪长岩体内叠加蚀变带和深色蚀变带中，在空间上表现为穹状特征，总体呈厚大的似层状或透镜状。矿体平均长度为741 m，平均宽度为445.59 m，平均厚度为86.59 m。矿体围岩岩性一般坚硬，岩体质量等级为良，岩石完整性好。一期工程设计采用中央竖井开拓方案，主副井均布置在地表移动带以外，稳定性良好。阶段设置－670 m回风阶段、－750 m 和－830 m 出矿阶段、－850 m 有轨运输阶段。采区斜坡道布置在0 号勘探线和7 号勘探线之间，无轨设备从－750 m 阶段开始沿斜坡道进入各个开采分段，开拓巷道断面均采用三心拱断面。根据泥河铁矿开采设计，矿体开采采用分段凿岩、阶段出矿、阶段充填采矿法，采场盘区布置阶段高度为80 m。盘区内采场采用“隔一采一”两步骤回采，矿房矿柱在平面上等间隔布置，其宽度为20 m，长度为50 m，高度为80 m 或矿体厚度。每步回采形成的空区采用尾砂胶结充填后再进行下一步开采。

2 可选的阶段开采顺序

泥河铁矿可选的阶段开采顺序有2 种:一种为自下而上的阶段开采顺序，即先采－830 m 阶段，后采－750 m阶段;另一种为自上而下的阶段开采顺序，即先采－750 m 阶段，后采－830 m 阶段。根据可选的阶段开采顺序设计方案:方案一为自下而上的阶段开采顺序;方案二为自上而下的阶段开采顺序。阶段内矿房矿柱开采步骤如图1 所示。

方案一:开采步骤一，回采矿房A;开采步骤二，充填空区A，回采矿柱B;开采步骤三，充填空区B，回采矿房C;开采步骤四，充填空区C，回采矿柱D。

方案二:开采步骤一，回采矿房C;开采步骤二，充填空区C，回采矿柱D;开采步骤三，充填空区D，回采矿房A;开采步骤四，充填空区A，回采矿柱B。

图1 阶段内开采步骤示意Fig.1 Schematic diagram of mining steps within the stages

3 数值模拟分析

3.1 典型勘探线剖面

选取1 号和7 号2 个典型勘探线剖面建立二维数值模型。其中，1 号勘探线剖面处于南西矿区中部，7 号勘探线剖面处于矿区端部，能总体反映一期工程主要开拓巷道及矿床的赋存特点，对其阶段开采顺序的研究能够应用于整个矿区。典型勘探线剖面开拓巷道布置如图2 所示，剖面下边界均为Y = －900 m。

图2 典型勘探线剖面图Fig.2 The typical exploration profiles

3.2 数值模型

根据相关地质资料，获得泥河铁矿主要岩体的矿岩物理力学参数如表1 所示。

表1 矿岩和充填体物理力学性质参数Table 1 Physic-mechanical parameters of rock and filling body

模型单元网格划分:1 号勘探线剖面模型共划分单元25 031个，共有节点25 151个;7 号勘探线剖面共划分单元18 007个，共有节点18 091个。模型边界条件在左右两侧为X 方向约束，在底部为Y 方向约束，上边界为自由边界。

3.3 数值计算及结果分析

数值计算对开拓巷道围岩小主应力和安全系数两个方面进行分析研究，从而为判断不同阶段开采顺序下开拓巷道的稳定性提供定量依据。安全系数FS由Mohr－Coulomb 强度准则确定［10］:

式中，σc为岩体抗压强度;σt为岩体抗拉强度;σ1为最大主应力;σ3为最小主应力。开拓巷道围岩主要为闪长玢岩，取σt= 3.8 MPa，σc= 85.2 MPa。当安全系数FS＞1 时表示稳定，反之表示不稳定。

运用ANSYS 软件计算得到典型勘探线剖面在2种方案下各开采步骤的最小主应力云图，如图3 ～图6 所示。ANSYS 软件基于弹性理论分析，图中拉应力为正值，压应力为负值。而在岩石力学工程问题中，拉应力为负值，压应力为正值，故在数值计算时对数据进行了反符号处理。由于岩体抗拉强度远小于其抗压强度，岩体往往更容易发生拉伸破坏，拉应力出现的部位有必要进行重点分析和研究。

图3 1 号勘探线剖面方案一不同开采步骤最小主应力云图Fig.3 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 1 in exploration profile 1

图4 1 号勘探线剖面方案二不同开采步骤最小主应力云图Fig.4 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 2 in exploration profile 1

由图3 ～图6 可知，无论是采用自下而上还是自上而下的阶段开采顺序，典型勘探线剖面中，矿房矿柱回采后绝大部分开拓巷道围岩及采场顶底板局部出现拉应力。同时，两方案中开采步骤二和开采步骤四相对于其他两开采步骤拉应力范围都明显扩大，即各阶段内回采矿柱时拉应力比回采矿房时范围明显扩大。矿柱是在胶结充填体的支撑下进行回采作业，回采时要充分考虑充填体的材料性质及其强度。总体上，典型勘探线剖面中方案二的拉应力分布范围要小于方案一。

图5 7 号勘探线剖面方案一不同开采步骤最小主应力云图Fig.5 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 1 in exploration profile 7

图6 7 号勘探线剖面方案二不同开采步骤最小主应力云图Fig.6 Minor principal stress nephogram at different mining steps of scheme 2 in exploration profile 7

通过对最小主应力云图中开拓巷道围岩最小主应力最小值处进行应力分析，得出各巷道最小主应力和安全系数在不同阶段开采顺序下与开采步骤的关系，如图7 ～图10 所示。分析图7 和图9 可知，1 号勘探线剖面在不同开采步骤下，开拓巷道围岩最小主应力最小值均为拉应力。方案二除了－830 m 阶段运输巷道和斜坡道(二)最小主应力小于方案一，其余总体上大于方案一。7 号勘探线剖面－750 m 阶段运输巷道和斜坡道(一)在部分开采步骤中围岩最小主应力最小值为正值，即为压应力，其稳定性较好。除此之外的其他巷道除了斜坡道(二)最小主应力方案二小于方案一，其余都大于方案一。从图8 和图10 可知，1 号剖面中的－830 m 阶段运输巷道和斜坡道(二)，7 号剖面中的－750 m 阶段运输巷道和斜坡道(二)安全系数方案二小于方案一，其他巷道均大于方案一。

随着开采工作的推进，矿块不断被充填体取代，开拓巷道围岩应力分布也不断变化，部分开拓巷道在开采过程中巷道围岩出现了较大的拉应力集中。局部区域甚至超过了岩体的抗拉强度，在生产过程中，所处地段的巷道顶板很容易发生剪切破坏［11］，这些区域都应加强支护。总体上，虽然采用自下而上的阶段开采方式有利于上阶段采出废石进入下部阶段的采空区［12］，可以减少废石的提升运输量，但针对泥河铁矿储量大、埋藏深的矿体赋存特点，采用自上而下的阶段开采顺序在拉应力分布范围和最小主应力及安全系数的数值上均优于自下而上的开采顺序。因此，1 号和7 号典型勘探线剖面采用方案二开拓巷道更为稳定，自上而下的阶段开采顺序更为合理。

图8 1 号勘探线剖面安全系数与开采步骤的关系Fig.8 The relation between safety factors in exploration profile 1 and different mining steps

图9 7 号勘探线剖面最小主应力与开采步骤的关系Fig.9 The relation between minor principal stress in exploration profile 7 and different mining steps

表2 和表3 分别为1 号勘探线剖面和7 号勘探线剖面在不同开采步骤下开拓巷道的平均安全系数。

从表2 和表3 中也可知，1 号和7 号勘探线剖面中多数巷道平均安全系数方案二大于方案一。显然，所选取的典型勘探线剖面中开拓巷道稳定性方案二总体要好于方案一。

4 结 论

(1)针对典型勘探线剖面建立有限元计算模型，并对一期工程自下而上(方案一)和自上而下(方案二)2 种阶段开采顺序各开采步骤进行有限元应力分析，根据拉应力分布范围、最小主应力和安全系数分析开拓巷道的稳定性，以此得出合理的阶段开采顺序。

图10 7 号勘探线剖面安全系数与开采步骤的关系Fig.10 The relation between safety factors in exploration profile 7 and different mining steps

表2 1 号勘探线剖面不同开采步骤开拓巷道的平均安全系数Table 2 Average safety factors of opening roadways in exploration profile 1 at different mining steps

表3 7 号勘探线剖面不同开采步骤开拓巷道的平均安全系数Table 3 Average safety factors of opening roadways in exploration profile 7 at different mining steps

(2)2 方案在矿房和矿柱回采过程中，绝大多数开拓巷道围岩顶底板局部出现拉应力。并且在回采矿柱时，空区由充填体支撑，拉应力分布范围会扩大。建议在回采矿柱时应快采快运，并及时充填采空区。

(3)结合泥河铁矿工程实际情况，采用自上而下的阶段开采顺序在拉应力分布范围、安全系数和最小主应力的数值上均优于自下而上的阶段开采顺序，且开拓巷道的稳定性更好，有利于保障生产运输安全。

(4)随着回采工作推进，部分开拓巷道顶底板局部区域拉应力偏大，安全系数较小，这些地段有可能发生剪切破坏。在开采过程中，应加强对这些区域的监测，同时进行有效的支护。

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