基于FLAC3D的煤系地层覆盖下铝土矿采场结构参数优化研究

张圆堂,朱建军,王晓军,李 刚,黄 丹

(1.江西理工大学,江西 赣州 341000;2.山西华兴铝业有限公司,山西 吕梁 033000;3.江西离子型稀土工程技术研究有限公司,江西 赣州 341000;4.矿冶科技集团有限公司,北京 100160)

随着国内位于浅地表的铝土矿储量消耗殆尽,地下铝土矿特别是煤下铝开采成为铝资源开发的必然选择和发展趋势[1-2]。煤系地层下铝土矿资源储量极大[3],但其开采复杂性突出,需要解决克服地下铝土矿开采的诸多问题[4],同时增大了铝土矿地下开采的难度和危险性,而且需要考虑煤矿与铝土矿协同开采,最大程度地开发不可再生的自然资源。

国内外煤系地层覆盖下铝土矿资源鲜有开发案例,由于其特殊的资源赋存条件、安全生产技术问题及政策等限制,煤下铝土矿资源直到近年才得到认识和重视,煤系地层覆盖下的铝土矿资源一直没有得到有效利用,其开采技术研究尚数空白,煤下铝的开发缺乏统一的规划,实现我国煤及煤下铝资源统筹兼顾、综合利用,迫切需要研究、探索新的采矿方法和工艺。

1 工程概况

某铝土矿位于山西省吕梁境内,矿体形态呈层状、似层状,分布较连续。矿体厚度0.80～7.49 m,平均2.89 m,东厚西薄,中、南部厚北部薄,向西倾斜,倾角10～18°,一般15°左右。开拓工程采用脉内布置,开拓运输方案选用主平硐+斜坡道+卡车运输,基建和生产工作并行,采矿方法采用留矿护顶房柱法。一期设计开采标高1120～1060 m,不受煤层影响。二期开采1060 m以下煤层压覆铝土矿。随着一期开采的结束,矿山即将开启二期开采即煤下铝的开采,然而原有的采场结构参数已不再适用于煤下铝的开采方式,需对二期采场结构参数进行优化,保障煤、铝资源的有效回收。

针对某铝土矿原有采场结构参数不再适用于煤下铝开采的问题,本文采用FLAC3D软件分别对不留护顶矿层和护顶矿层厚度分别为0.5 m、0.4 m、0.3 m的情况进行模拟优化,并结合矿山工程地质情况,给出最合理的采场结构参数。

2 数值模拟分析

运用三维有限差分计算软件-FLAC3D进行数值模拟计算。本次研究的地质工程对象以岩浆岩与变质岩为主,属于弹塑性材料。因此,计算采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则:

式中:σ1、σ3——最大和最小主应力;

c,φ——材料粘结力和摩擦角。

当fs≥0时,材料将发生剪切破坏。材料在达到屈服极限后,在恒定的应力水平下产生塑性变形。在拉应力状态下,如果拉应力超过材料的抗拉强度,材料将发生破坏。

3 模型建立

计算模型尺寸150 m×154 m×50 m(X×Y×Z),由260,000个六面体网格,275,730个节点组成。采场开挖区域尺寸41 m×51 m(倾向×走向水平长度)。模型由上往下各分层分别为间接顶板-直接顶板-铝土矿层-直接底板-间接底板。

4 力学参数与边界条件

4.1 力学参数

计算采用的岩体力学参数见表1。其中间接顶板参考勘探报告岩石力学试验结果和岩体完整性描述,在无法进行工程地质调查的情况下,综合考虑间接顶板各岩组的强度,暂时将间接顶板按Ⅳ级岩体选取力学参数;直接顶板、铝土矿层、直接底板参数为前述岩石力学研究结果;间接底板参考勘探报告力学试验结果,进行一定工程折减处理;胶结充填体和崩落岩体参数类比选取。

图1 模型网格划分、开采区域示意图

图2 开采区域内部结构水平投影示意图

表1 计算采用的力学参数表

4.2 边界条件

(1)应力边界条件

本次计算模型受力主要是岩体自重,不随单元方向变化而改变,始终保持它们的最初方向。简化地表为水平,模型顶面距离地表约200 m,因此顶面施加上覆岩层自重应力边界,上覆岩层自重应力按4.25 MPa考虑,根据我国地层浅部最大主应力一般为水平构造应力的普遍情况,初始水平应力按垂直应力的1.2倍考虑。

(2)位移边界条件

根据研究的需要,模型尺寸远大于矿体尺寸,可以认为在远离矿体的模型边界基本处于原岩应力或影响较小可忽略不计。因此,不妨将远处边界固定,仅关注模型内部的位移变形。即:在x=0和x=150面固定其x方向位移为0;在y=0和y=154面固定其y方向位移为0;在模型的底部z=0处固定其x、y、z方向的位移均为0;模型由于仅受自重应力作用,表面不约束其位移,可自由变形。

5 计算步骤

(1)初始平衡计算

初始地质模型形成合理与否很大程度上取决于模型设计的合理程度,计算模型最终形成的应该是近应力平衡系统。模型形成过程中,FLAC3D计算软件内部嵌入自动检测模型最大不平衡力功能,即每迭代计算一步会有一个变量显示模型内部各节点一个最大不平衡力值,该值的大小能反映出模型的平衡状态,该值随模型迭代收敛逐渐减小,最后趋于零,本次计算初始应力模型形成过程中,最大不平衡力变化过程如图3所示,可以看出模型中最大不平衡力最后区域恒定值零,表示模型达到稳定状态,满足计算要求。模型初始垂直、水平应力云图见图4。

图3 最大不平衡力历程曲线

图4 模型初始垂直、水平应力云图

(2)模拟回采计算

按采矿方法提供的开采顺序并对回采过程进行了一定简化,总体上模拟回采顺序见图5。第一步:切割上山开挖;第二步:中部上山充填;第三步:矿体分条分步退采;第四步:崩落空区顶板,每步均计算平衡。

图5 回采过程模拟计算顺序示意图

6 计算结果分析

考虑护顶矿层厚度对回采安全以及回采率影响较大,本次采场结构参数重点研究护顶矿层厚度。研究步骤是首先计算不留护顶矿层,若安全性能得到保障,则可不留护顶矿层。若安全性得不到保障,则在采矿工艺设计参数的基础上对护顶矿层厚度递减研究。

6.1 不留护顶矿层时计算结果分析

不留护顶矿层时,切割上山开挖后的计算结果见图6。从图中可以看出,切割上山开挖后,上山巷道顶底板围岩垂直应力释放,集中于未开采矿柱区域及围岩,整个采场区域上部岩体形成低应力拱区(即开挖对上部岩体产生卸荷作用),拱区内最大、最小主应力值下降约1.0～2.0 MPa。切割上山顶板产生向下位移,最大约6.5 cm,并且采场区域上部岩体整体产生向下约1.0～2.0 cm位移。从塑性区分布情况来看,切割上山顶板及矿柱岩体几乎全部处于剪切破坏状态。说明不留护顶矿层的情况下,切割上山巷道回采过程会造成上部顶板和巷道间矿柱发生较严重破坏,影响切割上山和下步回采的安全,因此,有必要预留护顶矿层。

图6 不留护顶矿层时切割上山开挖后模型计算结果图(X=75剖面)

6.2 护顶矿层厚度优化结果分析

根据采矿工艺设计,护顶矿层厚度h=0.5 m。本次护顶矿层厚度优化试图寻求更薄的护顶矿层厚度,以在保障安全的前提下增加回采率,分别计算护顶矿层厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三种情况。护顶矿层为0.5 m时切割上山开挖后计算结果见图7。

图7 切割上山开挖后计算结果图(护顶矿层0.5 m,X=75剖面)

由模拟结果可知,切割上山的开挖会导致巷道顶底板应力释放,矿柱内部应力集中,与不留护顶矿层相比,由于护顶矿层的保护,顶板应力释放程度比不留护顶矿层小。对于三种不同护顶厚度而言,应力释放和集中程度在数值上差别并不大,但是应力释放的范围有所不同,这点在最小主应力云图中表现比较明显。0.5 m时影响范围最小,0.3 m时最大,0.4 m时居中。

从护顶矿层竖向位移来分析,切割上山开挖引起四周岩体向上山巷道内部发生位移,其中对安全影响较大的是顶板向下的竖向位移,三种情况分别是3.92 cm(h=0.5 m)<4.59 cm(h=0.4 m)<5.46 cm(h=0.3 m)。若以2.0 cm等值线为分界,可以得出,h=0.5 m时顶板位移等值线虽有相互扩展贯通趋势,但两侧上山位置仍相对独立;而h=0.4 m时,上山顶板位移等值线相互扩展贯通并向上部延深;h=0.3 m时,上山顶板位移等值线相互贯通,向上部延深范围更大。

从塑性区分布情况来分析,相同的规律是先开挖的上山两侧矿柱塑性区分布多,后开挖上山两侧矿柱塑性区分布少。当h=0.5 m时,所示剖面上山顶板未出现剪切破坏塑性区;h=0.4 m时,剖面上山顶板局部出现剪切破坏塑性区;h=0.3 m时,矿柱及顶板塑性区更多。

为详细分析开采过程护顶矿层的塑性区分布情况,单独将开采区域护顶矿层塑性区分布情况进行分析对比,塑性区单元个数统计对比如图8。从图中可以看出,随着护顶矿层厚度的减小,塑性区数量逐渐增加。

图8 采场区域护顶矿层塑性区单元个数

按照顺序开挖各条带时,由模拟结果可知,所开挖条带护顶矿层塑性区单元数量随护顶矿层厚度减小亦逐渐增加。

通过塑性区分布情况可知,在当前计算参数条件下,护顶厚度0.5 m时塑性区单元个数最少,0.3 m时最多,0.4 m时居中。需要注意的是,0.5 m的护顶厚度,虽然能够有效控制顶板,避免大面积破坏,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破坏,并且在退采阶段塑性区范围比较大。因此,建议护顶矿层厚度不得小于0.5 m的同时,回采时还应加强局部支护。

7 结 论

(1)不留护顶矿层的情况下,切割上山巷道回采过程会造成上部顶板和巷道间矿柱发生较严重破坏,影响切割上山和下步回采的安全,因此,有必要预留护顶矿层。

(2)通过对护顶矿层厚度0.5 m、0.4 m、0.3 m三种情况的对比分析,应力释放、集中程度和范围,顶板竖向位移,塑性区数量均为0.3 m时最大,0.5 m时最小,0.4 m时居中。0.5 m的护顶厚度,虽然能够有效控制顶板,避免大面积破坏,但局部仍有一定程度剪切、拉剪破坏,并且在退采阶段塑性区范围比较大。

(3)建议护顶矿层厚度不得小于0.5 m的同时,回采时还应加强局部支护。