深井超大面積開采不同卸壓方案對比研究

張愛民， 劉育明， 張少杰

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著我國淺部礦產(chǎn)資源日益減少以及采掘設備的大型化，礦產(chǎn)資源的開采逐漸向深部和大規(guī)模兩個方向發(fā)展[1-4]。針對深井超大面積開采過程中可能出現(xiàn)的巖爆、大變形等問題，通過卸壓手段主動降低大型礦柱中賦存的高應力，是比較有效且重要的對策措施[5-8]。本文采用數(shù)值模擬方法，對某深井硬巖礦山大型條形礦柱的不同卸壓方案進行分析對比研究，這對礦山安全高效開采具有十分重要的意義，同時可為類似開采條件下的深井礦山卸壓開采提供借鑒參考。

2 工程背景

某鐵礦屬隱伏盲礦床，礦體埋藏深度404～1 934 m，東西長1 500 m，南北平均寬度960 m，最大垂直深度1 580 m，礦體平均厚度246.84 m，傾角約70°。礦體主要呈厚層狀產(chǎn)出，總體形態(tài)似一個巨大的“金元寶”，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造簡單，巖石較完整。

根據(jù)礦體的開采技術條件，設計主要采用大直徑深孔空場嗣后充填法開采。為了保持采礦區(qū)域的整體穩(wěn)定性和考慮采礦工程布置的需要，在盤區(qū)之間沿最大主應力方向布置了大型條形礦柱，盤區(qū)內(nèi)布置采場，采場尺寸40 m×40 m，高度60 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)條件和開采方案，建立FLAC3D精準數(shù)值模型。模型X軸沿礦柱走向，長度為4 800 m；模型Y軸垂直礦柱走向，長度為4 800 m；模型高為1 620 m(標高從-1 620 m至0 m)，具體如圖1所示。圖2所示為數(shù)值模型的核心部分，即礦體的三維模型，尺寸為1 600 m×1 600 m×1 620 m。-960 m中段盤區(qū)與礦柱的布置，具體如圖3所示。1號礦柱寬60 m，2號礦柱寬100 m，3號礦柱寬60 m。為了準確獲取礦柱中的應力狀態(tài)，在礦柱中布置了應力監(jiān)測點(A1、B1和C1等)。

圖1 三維數(shù)值模型

圖2 三維模型核心部分

圖3-960 m中段盤區(qū)與礦柱的布置平面圖

3.2 地應力特征及邊界條件

根據(jù)礦山水壓致裂地應力測量研究的數(shù)據(jù)顯示：礦區(qū)應力場以水平應力為主導，最大水平主應力與鉛直主應力的比值均在1.61左右，最大主應力方向為近NEE向，平均方向為67.83°。礦區(qū)測點的最大水平主應力和最小水平主應力隨深度變化的綜合線性回歸方程為

σh,max=0.461 9+0.038 9h,R=0.963 2

(1)

σh,min=0.524 5+0.028 3h,R=0.955 4

(2)

式中：σh,max——最大水平主應力，為壓應力，與礦體走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主應力，為壓應力，與礦體走向近似垂直，MPa；

h——垂直深度，m；

R——回歸系數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)的垂直應力隨深度線性變化，根據(jù)礦體埋藏深度和平均巖體容重計算，模型上部施加垂直方向應力σz=5.6 MPa。考慮構造應力的影響，沿模型X軸和Y軸的水平應力分別根據(jù)式(1)和式(2)施加。模型側(cè)面限制水平移動，模型底部限制垂直移動。

3.3 力學參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關研究提供的巖石力學試驗結(jié)果，考慮到巖體的尺度效應，模擬計算采用的巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)

根據(jù)材料力學特征，分別采用不同的力學模型：充填體采用理想彈塑性本構模型；圍巖和礦體均采用復合摩爾庫侖屈服準則，即

(3)

式中：fs——材料發(fā)生破壞的臨界值，MPa；

σ1、σ3——最大和最小主應力，MPa；

c——內(nèi)聚力，MPa；

φ——摩擦角，°；

當fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則(σ3≥σt(抗拉強度，MPa))判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3.4 計算模擬過程

為了揭示大型條形礦柱采取不同卸壓方案后的卸壓效果，本計算分以下步驟進行：

(1)計算模型在給定邊界應力與位移條件下的初始狀態(tài)。

(2)先模擬開采-1 020 m中段的礦體，再模擬開采-960 m中段的礦體。

(3)在大型條形礦柱的不同位置進行全長卸壓開采，分別為：上部卸壓(在-896～-900 m形成卸壓層)、中部卸壓(在-956～-960 m形成卸壓層)、下部卸壓(在-1 016～-1 020 m形成卸壓層)。

(4)在大型條形礦柱的上部進行卸壓開采，卸壓開采的長度分別為60 m、120 m、180 m和礦柱全長。

4 計算結(jié)果分析

4.1 -960 m中段開采后的模擬結(jié)果

-960 m中段開采后A- A剖面的最大主應力場如圖4所示。從圖4可以看出，-960 m中段開采后，2號礦柱兩側(cè)應力值相對較低，礦柱中部的應力為50～60 MPa，礦柱四個角部的應力集中程度較高，約為108 MPa，礦柱中的應力大體上呈“X”形分布。-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5可以看出，-960 m中段開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)較多單元在以前計算循環(huán)和當前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)。-960 m中段開采后C- C剖面的最大主應力場和等值線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，-960 m中段開采后，應力轉(zhuǎn)移至2號礦柱的東西兩側(cè)，應力值為65～70 MPa，在2號礦柱和3號礦柱交叉位置的一定范圍內(nèi)應力值低于50 MPa，近似呈“U”形，上寬83 m，深49 m。

圖4-960 m中段開采后A- A剖面的最大主應力場

圖5-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

圖6-960 m中段開采后C- C剖面的最大主應力場

圖7-960 m中段開采后C- C剖面的應力等值線

4.2 上部卸壓開采后的模擬結(jié)果

上部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場如圖8所示。從圖8可以看出，上部卸壓開采后，2號礦柱上半部分的應力值有所降低，降低值最大約為6 MPa。-960 m中段開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖9所示。對比圖9和圖5可以看出，上部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖8 上部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場

圖9 上部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

4.3 中部卸壓開采后的模擬結(jié)果

中部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場如圖10所示。從圖10可以看出，中部卸壓開采后，2號礦柱上半部分和下半部分的應力值均有所降低，降低值最大約為6 MPa。中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖11所示。對比圖11和圖5可以看出，中部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖10 中部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場

圖11 中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

4.4 下部卸壓開采后的模擬結(jié)果

下部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場如圖12所示。從圖12可以看出，下部卸壓開采后，2號礦柱下半部分的應力值均有所降低，降低值最大約為8 MPa。中部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布如圖13所示。對比圖13和圖5可以看出，下部卸壓開采后，A- A剖面2號礦柱兩側(cè)在以前計算循環(huán)和當前計算循環(huán)均為剪切塑性狀態(tài)的單元數(shù)量有所減少。

圖12 下部卸壓開采后A- A剖面的最大主應力場

圖13 下部卸壓開采后A- A剖面的塑性區(qū)分布

將不同開采工況時2號礦柱中監(jiān)測點C1在深度方向上-1 080～-840 m的單元應力輸出，并繪制成應力變化曲線，如圖14所示。從圖14可以看出，上部卸壓開采主要可降低-900～-960 m礦柱中的應力，中部卸壓開采主要可降低-900～-1 020 m礦柱中的應力，下部卸壓開采主要可降低-960～-1 020 m礦柱中的應力。從卸壓開采的有效影響范圍大小來看，中部切頂?shù)男秹盒Ч麅?yōu)于上部切頂和下部切頂?shù)男秹盒Ч?/p>

圖14 不同開采工況時礦柱中的應力變化曲線

4.5 不同卸壓開采長度的模擬結(jié)果

上部卸壓開采長60 m時C- C剖面的最大主應力等值線如圖15所示。上部卸壓開采長120 m時C- C剖面的最大主應力等值線如圖16所示。上部卸壓開采長180 m時C- C剖面的最大主應力等值線如圖17所示。上部全長卸壓開采時C- C剖面的最大主應力等值線如圖18所示。可以看出，在卸壓開采長度為60 m、120 m和180 m時，在卸壓開采區(qū)域的東西兩側(cè)應力集中程度較高，應力值約為105～108 MPa；卸壓區(qū)主要位于卸壓開采區(qū)域的底部。在-900 m水平，-960 m中段開采后的2號礦柱中的最大主應力約為50 MPa,因此，初步將卸壓開采引起的50 MPa以下的范圍定義為卸壓區(qū)。上部卸壓開采長60 m時，卸壓區(qū)的深度為19 m，卸壓區(qū)的角度為32°；上部卸壓開采長120 m時，卸壓區(qū)的深度為63 m，卸壓區(qū)的角度為46°；上部卸壓開采長180 m時，卸壓區(qū)的深度為65 m，卸壓區(qū)的角度為36°；上部全長卸壓開采時，在2號礦柱和3號礦柱交叉位置處的卸壓區(qū)的深度為61 m，在其他位置的卸壓區(qū)深度約為44 m。

圖15 上部卸壓開采長60 m時的應力等值線

圖16 上部卸壓開采長120 m時的應力等值線

圖17 上部卸壓開采長180 m時的應力等值線

圖18 上部全長卸壓開采時的應力等值線

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某深井硬巖礦山大型條形礦柱的不同卸壓方案進行了對比研究，得出以下結(jié)論：

(1)-960 m中段開采后，2號礦柱中的應力大體上呈“X”形分布；應力轉(zhuǎn)移至2號礦柱的東西兩側(cè)；2號礦柱和3號礦柱交叉位置的一定范圍內(nèi)應力值低于50 MPa，近似呈“U”形。

(2)上部卸壓開采主要可降低-900～-960 m礦柱中的應力，中部卸壓開采主要可降低-900～-1 020 m礦柱中的應力，下部卸壓開采主要可降低-960～-1 020 m礦柱中的應力。從卸壓開采的有效影響范圍大小來看，中部卸壓的卸壓效果優(yōu)于上部卸壓和下部卸壓的卸壓效果。

(3)上部卸壓開采長60 m時，卸壓區(qū)的深度為19 m，卸壓區(qū)的角度為32°；上部卸壓開采長120 m時，卸壓區(qū)的深度為63 m，卸壓區(qū)的角度為46°；上部卸壓開采長180 m時，卸壓區(qū)的深度為65 m，卸壓區(qū)的角度為36°；上部全長卸壓開采時，2號礦柱和3號礦柱交叉位置處的卸壓區(qū)的深度為61 m，在其他位置的卸壓區(qū)深度約為44 m。