缓倾斜中厚矿体回采数值模拟分析

2015-03-09白银王星

现代矿业 2015年8期

关键词：采矿方法采场主应力

白银王星

(1.西安建筑科技大学工程管理学院；2.中钢集团山东矿业有限公司；

3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

缓倾斜中厚矿体回采数值模拟分析

白银1,2王星3

(1.西安建筑科技大学工程管理学院；2.中钢集团山东矿业有限公司；

3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

缓倾斜中厚矿体的回采由于受到矿石运搬和采场顶板管理问题的困扰，成为矿山生产难题，也没有固定的经验可言。为研究此类矿床的开采方式，依据特定矿山的矿床赋存条件和开采技术条件，选择相适应的采矿方法，采用理论和数值模拟相结合的方法进行采矿方法安全性的数值模拟分析和采场结构参数的确定，最终选择技术可行、经济合理的采矿方法。

缓倾斜中厚矿体数值模拟最大顶板暴露面积倾斜值曲率值

苍山铁矿位于山东省苍山县与枣庄市交界处，隶属中钢集团山东矿业有限公司，矿区周边有国道通过，交通十分便利。矿山采用竖井和斜坡道联合开拓，主井采用箕斗提升，副井采用罐笼提升，主要负责人员、材料和部分废石的提升，初步设计规模为200万t/a，分2期建设。初期开采-140 m水平以上矿体，此部分矿体属于缓倾斜矿体，矿石搬运及采场顶板管理等问题亟待解决。

1 矿体地质特征

根据资源核实标准和矿山地质资料，矿区共有3个矿体，其中2个为主矿体，呈分层鞍状分布，另一个矿体为零星小矿体，初期开采暂时不考虑。2#矿体为主矿体，其资源量占探明总资源量的50%以上，赋存在含矿层内，由30个勘探钻孔控制，赋存标高为0～-310 m，走向长2.5 km左右，最大埋深为250 m，矿体倾角为20°左右，平均厚13 m，矿体形态变化单一。3#矿体在空间上位于2#矿体的上盘，其规模相对较小，其资源量占探明资源总量的40%左右，由25个钻孔控制，赋存标高为+20～-260 m，矿体走向长2.5 km，平均厚10 m，倾角为30°左右，矿体从东向西逐渐变厚。

2 采矿方法选择

苍山铁矿的矿床开采技术条件较特殊，矿体属于缓倾斜中厚矿体，呈鞍状分布，矿岩稳定，矿体顶板为层状，但在受到采场开采扰动后，易发生整体性冒落。矿区地表有国道通过，并且附近有村庄，不允许塌陷。另一方面，矿山设计生产能力较大，需采用机械化程度较高的采矿方法，并且要求采矿工序和生产管理简单，能够满足矿山生产能力要求，减少矿山采充循环次数。

根据矿床开采技术条件和以上开采要求，考虑缓倾斜中厚矿体回采所面临的困难，结合国内外类似矿山的开采经验，选择盘区点柱式上向分层充填采矿法。

采场布置形式和结构参数初步设置：沿矿体走向划分采区[1]，回采时从采区的一侧向另一侧推进，两相邻的采区之间留设连续性矿柱，和充填体一起支撑采场。根据铲运机的有效运距，采区的长度设定为250 m，相邻采区间的连续矿柱宽20 m，点柱尺寸为5 m×5 m，分层回采高度为6 m，控顶高度为8 m。采用脉外无轨采准方式，主要工程有采区斜坡道、分层联络道、分层切割巷、矿石溜井和充填回风井等。

3 采矿方法数值模拟

根据采矿方案特点对回采过程进行数值模拟。一方面，根据初选的采矿方法，进行现场实施时缺乏一定的理论指导，其在特定条件下的安全性无从得知，大大增加生产管理的难度，对初选的采矿方法进行数值模拟，分析其稳定性状态，为现场管理提供理论参考和实施依据；另一方面，由于本矿区地表不允许塌陷，采矿方法在保持采场稳定性的前提下还需能够保证地表的稳定性，所以根据数值模拟结果分析回采对地表的影响，以便采取合理措施防止地表变形。主要的模拟内容：①确定采场顶板的最大安全暴露面积；②在最大安全顶板暴露面积下，进行盘区点柱上向分层充填采矿法回采时采场稳定性的数值模拟分析；③采场充填作业后，模拟分析回采作业对矿区地表的影响。

3.1 数值分析理论

矿岩体和充填体的数值模拟计算都需要特定材料的本构模型，在分析软件中，此次运用的本构模型为摩尔-库仑模型和空模型[2]。

一般情况下，破坏准则可表示为

(1)

式中，f为已知屈服函数，用来判定塑性流动。在主应力空间中为一曲面，落在曲面内的应力点为弹性状态。

塑性状态下的应变增量可表示为弹性应变增量和塑性应变增量之和，即

(2)

弹性应变增量和弹性应力增量的关系表示为

(3)

式中，Si为弹性应变增量的线性方程。

流动法则规定了塑性应变增量向量的方向，即与塑性势面的方向垂直，表示为

(4)

得到的新的应力向量应满足屈服方程

(5)

摩尔-库仑模型所采用的破坏准则为摩尔-库仑准则和最大拉应力准则，3个主应力关系为σ1≤σ2≤σ3。

3.2 岩体力学参数

岩体力学参数是进行数值模拟的基础参数，决定了数值模拟结果的可靠性。经过岩石力学试验后，考虑节理裂隙发育状况，将参数进行折减，得到的岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

3.3 原岩应力的确定

由于矿山目前没有进行相关的地应力测量，数值模拟计算中按照自重应力分布的应力场假设,即假设矿区岩体为连续、均质的各向同性体，得到自重应力场：

σZ=γH,

(6)

(7)

式中,σX、σY、σZ分别为X、Y、Z方向的自重应力；γ为岩层的容重，N/m3；H为矿岩体的埋深，m；μ为泊松比。

3.4 最大顶板暴露面积的数值模拟

单采场不同顶板最大安全暴露面积的数值模拟结果见图1、图2。可以看出，采场回采对于围岩的扰动性随着顶板暴露面积的增加而增强。

由图1可知，采场顶板暴露面积为450 m2时，最大主应力为9.22 MPa，出现在采场的两侧，采场隅角处应力集中现象明显，顶板的最大位移量为6.73 mm。

由图2可知，采场顶板暴露面积为600 m2时，单采场围岩中最大主应力为10.43 MPa，并且，在采场的顶板隅角处出现了应力集中现象，也在采场的边角处位置出现了应力集中现象，顶板围岩的位移量为14.72 mm，此时围岩中出现了塑性区屈服区域，但并未出现贯通现象，表现为稳定状态。

图1 顶板暴露面积为450 m2时数值模拟结果

因此，根据数值模拟结果，结合塑性区分布及应力分布特征，单采场顶板的最大安全暴露面积控制在600 m2以内是合理可行的。

3.5 回采数值模拟

根据采矿方法特点和单采场最大安全顶板暴露面积进行回采时的数值模拟分析。顶板暴露面积为600 m2，点柱尺寸为5 m×5 m，盘区长250 m，分层控顶高度为8 m，分层回采高度为6 m，每次充填之后，留设2 m高度的空间作为继续上分层回采时的作业空间。回采数值模拟结果见图3～图5。

图2 顶板暴露面积为600 m2时数值模拟结果

图4 首分层充填后最大主应力

图5 最后分层充填后最大主应力

由图3～图5可知，当进行矿体回采时，扰动了原岩应力场的分布，在整个回采过程中，采场围岩最大主应力为12.38 MPa，出现在采场顶板和上盘围岩的交界处，表现为应力集中现象，点柱中最大主应力为10.43 MPa，表现为点柱径向的压应力，未超过矿岩体的抗压强度。采场充填后，采场围岩最大主应力出现降低趋势，点柱在计算结束时退出了塑性屈服状态，说明充填体对于围岩和点柱的耦合协调作用明显，提升了点柱的支撑能力，在整个回采过程中，采场围岩未见有塑性区的贯通，采场表现为稳定状态。

另一方面，根据数值模拟分析，在进行分层回采过程中，对地表扰动随着开采进行而出现叠加复合作用，当回采第6分层之后，地表的变形值随之趋于稳定，并在开采结束后保持稳定状态。地表变形参数见图6。

图6 地表变形值

由图6可知，回采期间至结束，地表的最大变形值为倾斜1.104 mm/m，曲率0.020 3×10-3/m，水平变形0.18 mm/m，小于“三下”开采规范中地表建构筑物所允许的变形值(地表倾斜值为±3 mm/m，曲率值为±0.2×10-3/m，水平变形值为±2 mm/m)[3]，地表公路和建筑物并不会受此影响。因此，所选盘区式点柱上向分层充填采矿法合理可行。