基于三维有限元的金山店铁矿深部回采顺序研究

2013-04-03张小义张红军王文杰

金属矿山 2013年2期

张小义张红军王文杰

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室)

武汉钢铁集团(以下简称武钢)金山店铁矿经过多年的地下开采，采矿作业场地和开拓工程已经进入到矿体深部，采矿生产的主要作业点在－500m水平，开拓工程的深度达到近千米。随着采矿深度的增加，地压不断加大，地压显现时常发生，巷道维护和回采工作面临很大问题，在深部开采高地应力的条件下，即使对巷道进行加强支护和加固围岩，巷道维护仍然很困难。本研究采用合理的回采顺序，这样可以改善岩体的应力分布状态，控制随着开采深度而升高的地压和由于多次采动影响而造成的应力增高，使回采区域的应力合理分布，以收到改善回采区域和巷道维护状况的效果［1-2］。

1 地质概况及矿床赋存条件

张福山矿床的地层主要由三叠系中—上统及侏罗系中—下统地层组成。其岩性主要为石英砂岩、砂质页岩、细砂岩、粉砂岩等。另有少量三叠系中统灰岩及下统大冶群第7段的白云质灰岩、灰岩夹灰质白云岩。分布最为广泛的地层是三叠系中—上统蒲圻群砂页岩组合地层，分布于矿体上盘，成为矿体的直接顶板。受岩浆侵入时的接触热力变质作用和交代变质作用，砂页岩变质为各种角岩，灰岩变质为大理岩、矽卡岩。

张福山矿床共分布有大小100多个矿体，其中规模较大的矿体有Ⅰ～Ⅵ号矿体，尤以Ⅰ、Ⅱ号矿体规模最大，它们的储量和占区内探明铁矿总储量的90%以上。主要矿体在平面上大致呈北西西—东西向条带状，本次研究主要针对Ⅰ号矿体。Ⅰ号矿体西起 3线，东至 44线，东西长 2 690 m，走向NE77°—SE126°，倾向SE172°—SW203°，倾角50°～85°，赋存标高为110～1 100 m。按形态、产状及厚度变化特征，分为东、西区。

2 有限元计算模型建立

2.1 研究对象

在深入研究金山店铁矿矿床赋存条件的基础上，利用ANSYS软件对金山店铁矿张福山矿体及上下盘围岩分别建立模型。在选取计算模型时，考虑到矿体走向长约2 km，为了减小边界对矿区计算结果的影响，模型边界距矿体为1.5倍矿体长度。主要研究范围为－500 m水平到－600 m水平矿体的回采工作，分析各个回采步骤应力分布状态，找出合理的地压分布状态，确定合理的回采顺序，为之后的安全高效回采工作提供一定的理论依据。

2.2 岩体力学参数选取

岩体力学参数选取对数值模拟计算结果准确与否十分重要，通过对金山店铁矿的地质调查和工程归类，确定研究模型的4类矿岩:上盘角页岩、下盘石英闪长岩、矿体、塌陷体。在以往工程调查实验确定的矿岩试块力学参数的基础上，根据研究范围内各类岩体的结构特征以及岩体的分级指标，通过工程处理后，得到了研究范围内的岩体的力学参数［3］。选取的具体参数见表1。

表1 金山店铁矿矿岩力学参数

2.3 回采模拟方案确定

结合金山店铁矿的深部矿床赋存条件以及矿体回采设计方案，将－500～－600 m矿体分为7个分段，分段高度14 m。结合现有的回采作业布置，将每个分段矿体沿走向划分为3个回采区段。1、2、3，7个分段由上至下编号A－G，具体布置如图1。

图1 矿体回采区段编号

回采顺序可概括为中央向两翼、顺序式、两翼向中央3种。根据东区目前的回采作业情况，考虑到可能的现场实施计划，采用顺序式回采方案。为保持生产的持续均衡性，无底柱分段崩落法要求各分段之间连续回采，一般第2分段落后于第1分段回采装运。按照要求，下一分段回采出矿时，矿岩的移动范围不影响上一分段的回采工作，设计上下两分段之间，同步错开回采两个区段，上一分段比下一分段提前回采1个区段［4］。设计方案由上到下，由西向东回采步骤如图2～图5所示。前2种为分段交错式顺序回采，后2种为分段独立式顺序回采。

图2 方案一:西—东回采顺序1

图3 方案二:东—西回采顺序1

图4 方案三:西—东回采顺序2

图5 方案四:东—西回采顺序2

3 计算结果分析与对比

根据初步确定的深部回采顺序以及选定的矿岩力学参数，结合在研究金山店铁矿深部矿床特征基础上建立的三维模型，首先针对矿山开采现状进行数值计算，然后就4种深部回采顺序进行模拟分析。

3.1 各方案回采过程中主应力状态及安全系数

表2～表5列出各步骤回采所在采场的水平分段最大、最小应力值，同时列出关键点安全系数。监测关键点分布在采场中部和上下盘围岩中。

方案一(表2)各步回采后采场的最大主应力总是表现为受压效应，最大值为2.80～3.839 MPa。相对回采初期，第1步回采后，最大值减小。最后一步回采至－584 m水平，最大主应力在所有步骤中体现的压应力最大，为3.839 MPa。采场最大主应力值一般出现在与矿体交界的采空区边缘或与保安矿柱交接处，其值较为稳定，各监测点安全系数大于1.0，说明附近区域应力释放最完全，此部位位移最显著，同时最大值不超过2.2。

表2 方案一各步骤回采的分段应力、安全系数

方案二(表3)各回采步骤结束时采场最大主应力的最大值一般为3.00～3.70 MPa，表现为压应力。相对回采初期，第1步回采后，最大值增大。这是由于此步回采远离保安矿柱的保护支撑作用，使得围岩应力值略有升高，最后一步回采至－584 m水平，最大主应力在所有步骤中体现的压应力最大，为3.7 MPa。同方案一几乎无差别。其他各步骤的最大主应力最值分布规律与方案一近似。最小主应力的最小值一般规律性分布在与采空区邻接的偏下盘矿体。其浮动范围较方案一稍小，在回采过程中的变化形式有所差别。在较大压应力分布带，仍存在显著压应力集中现象，在步骤3、5、6中最为严重。安全系数监测值与方案一几乎相同。

方案三(表4)各步回采结束时采场最大主应力都显现为受压效应，其最大值为2.80～3.80 MPa，步骤3、5略小于3.00 MPa，步骤9、10的最大值较高。最大值一般位于与矿体邻接的采空区边缘。最小主应力中最小值一般位于与采空区交界的偏下盘矿体，其值随着回采深度的增加呈现出上升趋势总体上与前两方案基本相同。

表3 方案二各步骤回采的分段应力、安全系数

表4 方案三各步骤回采的分段应力、安全系数

方案四(表5)各步回采结束时采场最大主应力都显现为受压效应，其最大值为3.00～3.70 MPa，步骤5小于3.00 MPa，步骤9、10的最大值较高。最大值一般位于与矿体邻接的采空区边缘。最小主应力中最小值一般位于与采空区交界的偏下盘矿体，其值随着回采深度的增加呈现出不规则的增加，总体上与前几方案基本相同。其应力值、安全系数的分布及变化规律与方案二基本相同。

3.2 各方案的应力对比

根据表2～表5数据，分析主应力在回采过程中的变动情况。

表5 方案四各步骤回采的分段应力、安全系数

方案一采取2个连续分段联合从西至东回采，整个回采过程中，采区及围岩受压为主。第1步区段回采后，最大压应力明显增大，开挖引起的压应力主要集中于采空区与下盘围岩的接触带，且较为显著。随着开挖深度的不断增加，应力值逐步增加，但增加幅度减小，变化幅度由急变缓，相对稳定。

方案二采取2个连续分段联合从东至西回采。在第1步回采后，最大压应力相对方案一小4 MPa多。在之后的回采过程中，最大压应力值变化最为平稳，在个别步骤中有所下降，整体上呈上升趋势，且当完成整个回采过程时，达到了3.5 MPa，成为所有方案回采步骤中的最小值。

方案三改为分段独立式由西至东顺序回采。综合比较，该方案在回采过程中最大压应力变化与方案一基本相同。在步骤2、5、8中最大值低于方案一。

方案四由东至西顺序逐个分段回采。该方案在回采过程中最小主应力变化与方案二基本相同，但最小主应力变动较方案二显得不稳定，跳跃幅度较方案二较大，最大压应力值在步骤间的跳跃性明显增强，但总体趋于平稳。

经由上述分析，可得按照应力变化的稳定性，方案二为最优方案;按照应力值最小原则，则方案四最优。因为最大压应力未超出相应岩体的抗压强度极限，所以在整个回采过程中，首先应力变动应该较为平稳，再进一步要求应力值处于较低水平。按照以上综合要求，各方案的优劣排序为:首选方案二，其次方案四，再其次方案三，最后方案一。

3.3 各方案的安全系数对比

安全系数的值增大，说明岩体稳定性变好，大于1.0则表示岩体基本稳定。由表2～表5可知各监测点值均大于1，所以在整个回采过程中，最佳回采方案应以安全系数变化平稳为首要选取条件，其次要求值要大，整体增大的变化趋势为最好。基于以上原则，依据1#监测点的安全系数排序为方案一、方案三、方案四、方案二，依据2#监测点的排序为方案一、方案三、方案四、方案二，依据3#监测点的排序为方案二、方案四、方案三、方案一。

对各点监测值所做的方案排序赋予权重，并对优劣排序用4位标度4、3、2、1定量化，以便于最终方案优选。对各方案排序值加权求和，取综合最大值所对应的方案为最优，见表6。比较排序为首先方案二，其次方案四，再其次方案一，最后方案三。