李剡兵,刘华武,冯兴隆,杜桂泉

(云南迪庆有色金属有限责任公司, 云南 香格里拉市 674400)

0 引 言

自然崩落法作为一种高效率、低成本、安全性好的采矿方法,在国内外得到广泛推广与应用[1]。自然崩落法拉底过程中,矿岩发生破坏与崩落,在拉底层上方形成自支撑稳定拱,稳定拱随拉底推进最终垮落,若垮落规模过大,则压缩采空区空间,引起空区压力骤增,产生气浪冲击,危及底部结构稳定性,威胁井下人员与设备安全;随矿岩垮落,底部空区增大,地表以下支撑减弱,造成地表变形、破坏,影响地表设备设施使用[2]。因此,研究拉底层上覆矿岩能否有序崩落,进而判断拉底计划的合理性是矿山安全生产的问题之一。国内外研究学者常采用现场观测法、经验推导法、相似物理实验法研究崩落区的演化发展规律[3-5]。这些方法中,观测法依赖于观测者的经验,主观性强;由于地形、拉底方案、岩性等不同,采用自然崩落的矿山难以相互借鉴,制约经验推导法的应用;相似物理实验对模型与实地情况相似度的要求较高,需考虑的因素较多,对实验室的要求高。

与上述3种方法相比,数值模拟法具有针对性强、耗时少、研究范围大、模拟过程及结果可视化的优点,在国内外得到广泛应用。李永辉等采用3DEC研究不同拉底方案对应的崩落规律,确定了合理的拉底方案和顺序[6];梁江波等采用FLAC3D模拟研究拉底超前聚矿槽开挖条件下,超前距离设置的合理性[7];Alexander等通过FEM/DEMDFN软件建立二维概念模型,突出了节理方位和断层的倾角方位在确定沉降发展和定义地表沉降不对称角的重要性[8]。已有研究多采用较小的模拟规模、简化拉底设置和参数,面向规律研究而非生产实际。本研究拟以具体铜矿山为代表,依据制定的拉底计划模拟开挖,分析崩落体积与崩落高度的变化情况,确定危险发生的时间,提出相应的安全预防措施。

1 工程数值模型

该铜矿位于云南省西北部迪庆藏族自治州,邻近三江源自然保护区,最低海拔3450 m,最高海拔4702 m,11月至翌年4月为积雪期,冰冻雪盖,无霜期仅128 d。年平均降水量619．9 mm,雨季降水量占全年的87．1%。矿床探明经济储量92万t,高级别储量76万t,有伴生金银300 t。该矿首采区有6个矿块,矿体产状急倾,平均品位0．44%。该铜矿共含4组优势节理,其中,2组主优势节理,2组次优势节理,平均节理间距0．08 m。经系统论证,该矿床采用自然崩落法进行开采。

1．1 模型构建

利用FLAC3D内置网格生成器GEN提供的13种基本模型[9],通过编程语言控制单个模型节点坐标,重复大量生成简单模型,以类似于“砌墙”的方法自下而上地构建出本次所用矿山模型(见图1、图2),模型共包含单元约230万个,其模型范围约为拉底范围的3倍。该矿山为斑岩矿,岩性单一,故未岩性分层。

图1 矿山底部结构模型

图2 整体矿山模型

1．2 本构模型及参数确定

FLAC3D提供了众多本构模型,每种模型皆有其适用范围。其中,Mohr-Coulomb本构模型适用于松散或胶结的粒状材料,如土体或岩石等,广泛应用于地下开挖,边坡稳定性等问题的模拟分析[9],因此,本次矿山模拟开挖选用Mohr-Coulomb本构模型。

实验室中制备的矿岩样品,虽然取自矿山现场,但岩样本身具有较高的完整性,无法完全代表天然岩体的力学特性。虽岩体力学参数无法通过试验手段实测,但前人已于此问题做了大量研究,确定了从岩石参数向岩体参数转变的Hoek-Brown强度折减准则[10]。考虑节理发育、结构面性质以及工程施工质量和外界扰动,选定地质强度指标GSI、完整岩石参数mi、扰动因数D三个常量,将其代入Roc Lab参数折减软件,生成表1所示模拟参数。

表1 某铜矿岩体参数

1．3 边界条件及地应力反演

模型四周边界滚支固定,底部边界完全固定,地表作为自由面不做处理,以此作为模型的边界条件。

该铜矿仅监测了某一确定水平的应力值,本次模拟通过FLAC3D软件提供的梯度功能,对模型施加水平应力,同时施加重力,运行模型至平衡状态,对比已测应力值与模型应力值的大小关系,经过不断反演尝试,最终3720水平模拟应力值与实际应力值的大小关系见表2。

1．4 模拟拉底范围

图3为该铜矿初始拉底面积与每隔2个月的拉底轮廓。模拟过程中,将地应力反演平衡后的模型首先开挖出矿穿脉,随后按图3所示步骤模拟拉底开挖,自初始拉底区向东西两侧推进开挖,聚矿槽与出矿进路滞后拉底推进线30 m开挖。共拉底8步,每步运行模拟完毕后保存当前结果以备后续处理。

表2 地应力反演结果统计

图3 拉底推进计划

2 模拟结果分析

2．1 崩落基准的选取与确定

崩落情况分析的关键问题是确定发生破坏的单元应满足的力学条件。英国国家煤炭委员会(NCB)规定:垂直位移3 cm是对地表基础设施造成损伤的最小阈值,也是地表脆性岩体发生断裂的大概指标。若采用此值,将会半年内崩透地表,与实际工程不符,此值偏小。经多次测试,结合该铜矿2＃溜井电视监测值,以竖向位移大于等于7 cm,拉应力大于等于0．14 MPa作为破坏判据。并与Woo等研究帕拉博拉铜矿时修正的FLAC3D模拟参数比较,确认2个数值选取的合理性。

通过FLAC3D内置的Fish语言编写程序,遍历所有单元,筛选出符合破坏判据的单元并命名为“崩落区”,如图4所示。

2．2 顶板高度演化特征

该铜矿山共设置3个TDR监测点与1个溜井监测点,处理各步模拟结果,提取4个监测点顶板高程,以拉底层顶板高程为基准水平,统计结果如图5所示。

图4 崩落区典型形态

图5 各拉底步顶板崩落高度

由图5可知:4个顶板监测点处矿岩均将在第7步时崩透地表;2＃溜井、TDR_2、TDR_3三处矿岩在崩透地表前变化趋势基本一致,大致呈线性增加、且增速接近;较其他测点,TDR_1处在第5步拉底后增幅加大,尤其在第6步至第7步间高度增速更为急剧。这与此处地势陡峭,西部矿岩崩落速度较东部大,地表发生塌陷、且与下部垂直贯通有关(见图6)。顶板高度整体变化趋势为前期稍慢于后期,由于崩落后期崩落区距地表更近,对地表支撑作用更弱,因此,第5步拉底完成后矿山现场应密切关注崩落高度与地表沉降变化的监测。

图6 第7步拉底崩落区形态

2．3 崩落体积演化特征

通过Fish语言编程,计算各拉底步运行完毕后的结果中崩落区的累计体积,图7所示为各拉底步对应的累计崩落体积及月均体积增量变化情况统计。

图7 各拉底步崩落体积

由图7可知:崩落体积随拉底推进不断增加且有加速趋势,破碎矿岩整体较有序地崩落,结合顶板高度变化情况,拉底安排是较为合理的。为分析崩落体积在各阶段的变化情况,求取各月崩落体积的情况并进行统计,发现月均崩落矿石量整体呈上升趋势,且增加速度在第4步之后有加速趋势。因此,综合考虑崩落体积与月均体积变化情况,应在第5步拉底后做好井下工作人员的安全防护工作,或在此之后增加爆破次数,减小单次拉底面积,以减缓拉底速度,防止崩落下的大体积矿岩所带来的气浪冲击对井下人员设备的危害。

3 结 论

(1)结合国外相关规定及铜矿自身崩落监测高度,筛选出崩落区域满足的矿岩破坏指标,并与有较长开采年限的矿山对比,确定其合理性。

(2)4个监测点处矿岩均在第7步崩透地表,2＃溜井、TDR_2、TDR_3顶板高度变化趋势几乎一致且匀速增加,TDR_1处顶板高度呈前缓后急的趋势,第5步后应密切关注现场顶板高度与地表沉降的变化情况。

(3)崩落体积累增且有加速趋势,整体有序可寻,结合顶板高度变化认为拉底安排合理;月均增量前期小后期大,应在第5步后加强安全防范,防止气浪冲击与底部破坏。