复杂采场结构参数数值模拟及采矿方法优化

路燕泽 郭 斌 杨志强 刘志义 王社光 王庆刚

(1.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司,河北 邢台 054100;2.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210)

随着经济的飞速发展,矿石的需求急速增长,为满足社会的需求,矿山一方面向深部开采,另一方面提高复杂难采矿体的利用率。复杂难采矿体具有典型的“松、散、软、弱”特征,存在矿岩强度低、塑性流变大、侧帮与顶板易坍塌、采场环境复杂等问题,其采矿方法的选择及采场结构参数的确定是当今采矿技术的一大难题。国内学者苏龙等[1]在岩体质量分级的基础上对采场稳定性进行分析;郭阳、董金奎、李胜辉等[2-4]应用Mathew稳定图表法用于采场稳定性分析及结构参数设计;黄刚、建建明、刘志义、孙臣良、刘建东、朱青凌、赵兴东、赵增山等[5-12]采用FLAC3D对采场结构参数进行数值模拟优化研究,以确定合理的采场结构参数。某铁矿北区采场复杂破碎,矿山开采极其困难,存在垮帮、冒顶、坍塌等诸多安全风险。本研究以该铁矿北区复杂破碎采场为背景,基于岩体质量分级结果,采用Mathew稳定图表法对采场长度进行优化,然后采用FLAC3D按不同的采场宽度和高度分为单矿房、两矿房、三矿房、四矿房开采等4种情况,分析各种情况下不稳定区域开采引起的应力、位移、塑性破坏区变化,在此基础上结合开采实际提出2种回采优化方案。

1 北区采场岩体质量分级

根据现场工程地质勘查结果,在北部区域-170、-185、-200、-215、-230 m等各分段的采场不同位置取20组岩石试件进行现场岩石力学实验—点荷载测试。 同时在-170、-185、-200、-215、-230 m等各水平的巷道选取结构面发育状况较好的地点进行结构面测量,内容包括:结构面倾向、倾角、体密度等。在此基础上采用BQ值分级法进行北区采场岩体质量分级,表1为北区岩体质量分级分析。根据矿岩点荷载强度试验数据及现场结构面调查分析,北部区域矿岩稳定性级别以Ⅴ级(16个测点)为主,其次是Ⅳ级(4个测点),整体稳定性较差。其中,-170、-230 m水平稳定性变化较大,从极不稳定到不稳定;-215、-200、-185m水平稳定性变化范围较小,为极不稳定类型。

表1 北区岩体质量分级分析Table 1 Rock mass quality classification analysis in North District

2 北区采场结构参数数值模拟优化

矿山前期在矿岩质量分级的基础上采用Mathew稳定图表法,综合考虑采场顶板与侧帮稳定性,及南区采场开采现状,对采场长度进行了优化研究,确定采场长度30～40 m较为合适。现拟结合南区采场开采现状,按设计采场宽度分别为 10、12、14、16、18 m,采场高度分别为 15、20、30、45、60 m,对北区采场结构参数进行数值模拟优化研究,分析不同采场高度和宽度对矿房稳定性的影响,以确定合理的开采结构参数。

2.1 采场宽度优化与确定

采场宽度是影响采场稳定性的一个重要因素,为分析不同采场宽度对矿房稳定性的影响,对其展开数值模拟研究,根据矿山条件和基于前期Mathew法计算结果,以矿房长度30 m、高度 30 m,宽度分别为10、12、14、16、18 m,分为单矿房开采、两矿房开采、三矿房开采、四矿房开采等4种情况,分别对每种情况下采场顶板垂直方向应力、侧帮水平方向应力、顶板垂直方向位移、侧帮水平方向位移、采场剖面塑性区分布云图进行模拟计算和对比分析,以确定合理的矿房宽度参数。以四矿房开采为例,对采场宽度参数优化进行说明。

2.1.1 四矿房开采时顶板应力对比分析

(1)垂直方向应力对比分析。图1为5种不同宽度、4个矿房开挖时的剖面垂直应力分布云图。通过分析比较,可以得到以下结论:随着采场宽度的增加,4个矿房两帮的压应力呈减小的趋势,顶板和底板的应力呈增加的趋势;且随着宽度的增加,顶底板拉应力急剧上升,有极大的失稳风险;当采场宽度增加至18m时,顶板垂直方向的应力达到0.176 MPa,已经出现拉应力,且应力集中范围变大,说明顶板围岩存在脱落危险,且采场宽度越大,危险程度越高;随着采场宽度增加,矿房之间的两帮压应力变化以减小的趋势呈现,但变化范围不大,不足以影响采场围岩的破坏。

图1 不同宽度采场顶板垂直方向应力分布云图Fig.1 Vertical stress distribution cloud diagram s of stope roofs with different widths

(2)侧帮水平方向应力对比分析。图2为5种不同宽度、4矿房开挖时的5种不同宽度的剖面水平应力分布云图。通过分析比较,可以得出结论:随着采场宽度的增加,采场两帮的水平应力出现拉应力集中,集中区域随着宽度的增加而逐渐增加,说明采场宽度的增加不利于采场的稳定,矿房顶板和底板均有失稳风险。采场顶板的水平应力随采场宽度的变化较小,底板的水平应力范围随采场宽度的增加而增大。

图2 不同宽度采场侧帮水平方向应力分布云图Fig.2 Horizontal stress distribution cloud diagram of side siding of stope with different width

2.1.2 四矿房开采时位移对比分析

(1)顶板垂直方向位移对比分析。图3分别给出了5种不同方案,四矿房开采时的采场剖面垂直方向位移分布云图。通过分析比较,得到结论:四矿房开采时,对周围围岩造成巨大扰动,均产生较大位移量变化;随着采场宽度的增加,开挖后矿房均会出现不同程度的位移变化,其中顶板呈下沉趋势,底板呈鼓起趋势,矿房之间均会产生较大影响,相邻矿房间应力场交互,形成较为严重的集中增强现象;随着宽度的增加,应力集中范围增加,有极大的底板鼓起、顶板冒落等风险。

图3 不同宽度采场顶板垂直方向位移分布云图Fig.3 Cloud map of vertical displacement distribution of stope roof with different widths

(2)水平方向位移对比分析。图4分别给出了5种不同方案的采场剖面水平方向位移分布云图。通过分析比较,得到结论:采场开挖后,两帮均有向采场内位移的趋势;处于中间的2个矿房的两帮的位移量较大,两侧矿房两帮的位移量较小。

图4 不同宽度采场侧帮水平方向位移分布云图Fig.4 Horizontal displacement distribution cloud map of side siding of different width stope

2.1.3 塑性区对比分析

图5分别给出5种不同方案的采场剖面塑性区分布云图,通过分析比较,可得到结论:随着采场宽度的增加,矿房顶板和底板周围的塑性区变化幅度极微小,但相距较近的矿房两帮的塑性区范围产生交互;随着矿房宽度的增加,两帮围岩的剪切破坏区域增多;中间围岩顶部塑性区范围扩大,有极大的失稳风险;两侧矿房顶部边缘处的塑性区显著增多,矿房顶板出现较大区域的剪切破坏区域。

图5 不同宽度采场顶板与侧帮塑性区分布云图Fig.5 Cloud map of distribution of plastic zone on roof and side slab of different width stope

2.1.4 采场宽度优化分析与确定

就应力场来看,随着采场宽度的增加,顶底板的垂直方向应力集中现象更明显,采场宽度18m时,顶板处于极不稳定状态,可排除此方案。5种方案中采场两帮均出现应力集中现象,但各方案压应力变化较小,不足以对围岩造成破坏。当采场宽度为16、18 m时,底板的水平应力集中明显增加,易造成底板鼓起破坏失稳,可排除此方案。就位移场来看,5种方案的顶底板位移量均呈增加的趋势,采场宽度越大,底板越容易鼓起。就塑性区分析来看,采场宽度为14 m及以上时,剪切破坏区的范围较多,存在局部失稳风险。综合从安全及经济角度考虑,选择采场宽度10～12 m较为合理,在顶板条件好的区域可以考虑14 m的采场宽度,开采过程中需要配合相应的支护措施。

2.2 采场高度优化与确定

采场高度同样是影响采场稳定性的一个重要因素,以矿房长度30 m、宽度12 m,高度分别为 15、20、30、45、60 m,分为单矿房开采、两矿房开采、三矿房开采、四矿房开采等4种情况,分别对每种情况下采场顶板垂直方向应力、侧帮水平方向应力、顶板垂直方向位移、侧帮水平方向位移、采场剖面塑性区分布云图进行模拟计算和对比分析,可以得出结论:

(1)当采场高度为 15、20、30 m时,顶板均未出现垂直方向的拉应力,说明围岩是稳固的;当采场高度为 45、60 m时顶板出现拉应力,随着采场高度的增加,拉应力区域逐渐增大,存在失稳风险。

(2)随着采场高度的增加顶板压应力区域逐渐减小,但两帮水平拉应力集中区域逐渐变大,在矿房之间出现压应力交叉区;采场高度为15、20、30 m时,两帮未出现水平方向拉应力,说明围岩较为稳固。采场高度为45、60 m时,两帮的水平方向应力表现为拉应力,且应力集中范围较大,采区整体处于拉应力范围,存在整体失稳风险。

(3)当高度为 15、20、30 m时,顶板沉降位移量较为接近;而当高度为45、60 m时,顶板沉降量大幅提升,表明已经发生失稳破坏。当高度为15、20、30 m时,底鼓程度较为接近;而当高度为45、60 m时,底鼓程度大幅提升,且产生位移联合区,底板整体出现底鼓现象,存在整体失稳风险。

(4)当高度为 15、20、30 m时,位移量随着高度的增加而逐渐增加;当高度增加至45、60 m时,水平位移量左右不同,位移量发生一定程度的质变,说明开挖过程中已发生破坏。

(5)当高度为 15、20、30 m时,随着采场高度的增加,顶底板塑性区均表现为shear-p(剪切破坏)和tension-p(拉伸破坏),说明开挖区域周边围岩经历过应力峰值,但顶板未发生破坏;当高度增加至45、60 m时,剪切破坏区逐渐增加,此时采场已处于失稳状态,需要加强支护。综上分析表明,采场高度15～30 m较为合理,采场越高,越应加强采场支护。

3 北区采场采矿方法优化

综合上述分析并结合开采实际,提出2种回采方案:当矿体厚度小于50m时,采用预控顶中深孔落矿分段凿岩堑沟阶段出矿嗣后充填采矿法;矿体厚度大于50 m时,采用预控顶大直径深孔侧向崩矿阶段空场嗣后充填采矿法。

(1)预控顶中深孔落矿分段凿岩堑沟阶段出矿嗣后充填采矿法。矿房宽12 m,高30 m,长30～40 m,多个矿房矿柱组成一个盘区,盘区长60 m,宽60 m,分段高度为15 m。顶板条件好的区域,矿房宽度可增加至14 m,同时配合相应的支护措施。

(2)预控顶大直径深孔侧向崩矿阶段空场嗣后充填采矿法。一个盘区每个分段划分为6个矿房,盘区之间留永久矿柱,单个矿房宽10～15 m,段高50～60 m,长 30～40 m,一步采和二步采矿房尺寸相同。为保障安全开采,进一步优化支护方式,大直径深孔矿房凿岩硐室采用锚网喷+预应力长锚索联合支护技术进行采场顶板预控顶,局部破碎区域采取加密或加长锚索支护工艺。

4 结 论

(1)进行岩体力学实验和现场结构面调查分析,在此基础上采用BQ值分级法进行采场岩体质量分级,可知北部区域矿岩稳定性级别以Ⅴ级(16个测点)为主,其次是Ⅳ级(4个测点),整体稳定性较差。

(2)以矿房长度30 m、高度 30 m,宽度分别为10、12、14、16、18 m,分为单矿房、两矿房、三矿房、四矿房开采等4种情况进行数值模拟计算和对比分析,综合安全及经济因素,认为采场宽度10～12 m较为合理,在顶板条件好的区域可以考虑14 m的采场宽度,开采过程中需要配合相应的支护措施。

(3)以矿房长度30 m、宽度 12 m,高度分别为15、20、30、45、60 m,分为单矿房、两矿房、三矿房、四矿房开采等4种情况进行数值模拟计算和对比分析,认为采场高度15～30 m较为合理,采场越高,越应加强采场支护。

(4)综合分析结果并结合开采实际,提出2种回采方案:当矿体厚度小于50m时,采用预控顶中深孔落矿分段凿岩堑沟阶段出矿嗣后充填采矿法;矿体厚度大于50 m时,采用预控顶大直径深孔侧向崩矿阶段空场嗣后充填采矿法。研究结果可为类似采场结构参数的确定及采矿方法的选择提供参考。