贵州小坝磷矿采场跨度优选

罗云龙

(贵州省地矿局104地质大队)

小坝磷矿矿区地貌类型属构造剥蚀为主的低中山，地质构造复杂，但无巨大的构造破碎带通过矿段。矿区以倾斜中厚矿体为主，矿体顶底板围岩稳固性一般，局部较破碎。在前期生产中，由于矿体较破碎，采场稳定性不佳，造成大量的矿石损失，回收率仅约60%。为保障回釆安全，上中段与下中段之间预留了大量保安顶柱，造成了大量优质资源严重浪费。为此，采用无间柱连续分段充填法作为矿区主要的采矿方法[1-5]。本研究采用FLAC3D软件，对该矿采场跨度进行优选，为实现矿山安全高效开采提供可靠依据。

1 数值模型构建

根据矿体特征构建的数值模型长200 m，100 m(图1)。本研究数值模拟主要从矿体走向上进行采场跨度优化，当矿体倾角较缓时，采场跨度可取15～25 m，故选择跨度分别为15，20，25 m 3种情况对矿体开采进行研究。选择相邻的3个连续采场作为1个模拟单元，开采顺序均为由两侧向中间回采，即在采完两侧的采场并充填后再回采中间采场。模型边界条件中地应力根据实际情况近似加载，即竖直方向应力由添加的1.3 MPa应力和自重应力组成，水平方向以侧压力系数为1.8添加水平构造应力，模型底部为固定边界。模型物理力学参数见表1。本研究首先对某一跨度下的采场开挖过程进行分析，了解在开挖过程中采场周边岩体的力学特征，然后对不同采场跨度的数值模拟结果进行对比分析，进而确定合理的采场跨度。

图1 采场数值模型

表1 模型物理力学参数

2 数值模拟分析

2.1 采场开挖过程

当采场跨度为20 m时，分析图2～图4可知：

(1)在采场开挖后，采场顶板受拉明显，顶板中部区域出现拉应力区域，但间隔采场之间的相互影响较小，说明由采场两端向中部开挖对顶板稳定性较有利。采场开挖后，两帮围岩受压明显，尤其当两侧采场开挖后，中间未开挖的采场矿岩受到明显的压应力作用。充填采场后，顶板及两帮受力条件均得到了改善，应力值有所减小。在顶板与两帮的连接处，围岩有明显的剪应力集中现象，在采场拐角处也有明显的压应力集中现象。这2种应力集中现象均与理论分析和采场现场情况相符，故减小应力集中是改善采场安全性的重要途径。

(2)采场形成后，顶板出现明显的沉降现象，是由于采场开挖实质是1个卸荷过程，这一过程相当于去除了对顶板的支撑，顶板的受力情况由体模型向板模型发生转变。充填可明显改善顶板沉降现象，充填可视为开挖的一个逆过程，但在实际情况中，充填体难以提供给顶板足够的支承力，故顶板已发生的位移沉降不会改变，充填仅能改善顶板的后续变形状况。

(3)采场形成后，塑性区主要出现在采场各角落以及顶板处，随着后续开挖的进行，采场两帮和底板也出现了塑性区，充填后塑性区并未发生较明显的变化。采场不同位置的主要破坏形式各不相同，各角落主要表现为剪切破坏，顶底板为拉伸破坏，两帮岩体既有剪切破坏又有剪切拉伸复合破坏。

图2 最大主应力变化云图

图3 竖向位移变化云图

图4 塑性区变化云图

2.2 不同采场跨度对比分析

2.2.1 应力分析

分析图5可知：随着采场跨度的增大，采场顶板的受拉现象越明显，15，20，25 m跨度对应的顶板最大拉应力分别为0.19，0.27，0.51 MPa，前两者均小于顶板围岩的抗拉强度，后者大于顶板围岩的抗拉强度，表明采场跨度为25 m时，采场顶板极有可能发生拉伸破坏。

由图6可知：采场跨度越大，采场角落的应力集中越明显，15，20，25 m跨度对应的围岩最大压应力分别为6.4，6.7，7.2 MPa，三者均小于围岩的抗压强度，不足以造成采场围岩发生屈服破坏。

2.2.2 位移分析

由图7可知：采场跨度的越大，顶板沉降越明显，底鼓也相应增加，但增幅较小。15，20，25 m跨度对应的顶板沉降值分别为3.04，3.96，5.68 cm。

图5 最大主应力变化云图

图6 最小主应力变化云图

图7 竖向位移变化云图

由于地应力较小，底板的底鼓现象不明显，在实际工作中可忽略不计。

2.2.3 塑性区分析

分析图8可知：随着采场跨度增大，塑性区范围也逐渐增大，采场跨度为25 m时，两帮岩体中出现了大范围的剪切破坏区域，此外，采场顶底板出现了受拉破坏，拐角处出现了剪切破坏。

图8 塑性区变化云图

3 结 论

(1)小坝磷矿采场顶底板易受拉伸破坏，拐角应力集中明显，易发生剪切破坏，两帮岩体主要表现为剪切与拉伸共同作用的复合破坏形式。

(2)充填有利于改善采场围岩受力情况，也有助于减小采场的后续变形。

(3)综合考虑采场应力、位移以及塑性区分布特征，并维持矿山较高的生产能力，最优的采场跨度应为20 m。