复杂条件超大规模连续盘区多中段开采应力扰动规律研究.pdf

摇2024 年 2 月第 53 卷摇 第 1 期中国矿山工程China Mine Engineering摇 摇岩石力学和开采复杂条件超大规模连续盘区多中段开采应力扰动规律研究Research on the Stress Perturbation Laws of Complex Super鄄large鄄scaleContinuous Panel Multi鄄level Mining吴昊燕1,2,刘育明1,2,马黎明1,2,孙学森1,2,胡世超3(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.深部金属矿采动地压灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室,北京 100038;3.鞍钢集团矿业有限公司,辽宁 鞍山 114000)摘摇 要:以某超大规模开采铁矿为研究对象,模拟了矿区超大规模连续盘区多中段充填采矿过程,重点对回采过程中的围岩扰动应力演化规律进行了分析。结果显示多中段开采的扰动叠加效应对 26 m 矿柱稳定性影响显著。两中段之间存在卸压现象,深部采区-580 m 水平以下应力集中明显。研究结果可供连续盘区超大规模开采、深井矿山卸压开采等借鉴参考。关键词:深井矿山;水平矿柱;应力演化中图分类号:TD323摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1672鄄鄄609X(2024)01鄄鄄0001鄄鄄06作者简介 吴昊燕(1990),女,博士后,高级工程师,主要从事矿山岩石力学研究工作。基金项目 十四五重点研发专项“金属矿深部大盘区无矿柱连续化开采技术与装备冶(2023YFC2907201)。引用格式 吴昊燕,刘育明,马黎明,等.复杂条件超大规模连续盘区多中段开采应力扰动规律研究J.中国矿山工程,2024,53(1):1-6.Abstract:This research simulated the super鄄large鄄scale continuous panel multi鄄level mining and filling process of a super鄄large ironmine,and the stress perturbation law was focused on.Results show that the overlaying effect of muti鄄level mining has negative effectson the stability of the 26 m鄄wide pillar apparently.There are stress鄄releasing area between two levels and obvious stress concentrationareas below Level-580 m.The result can be a good reference for continuous panel super鄄large鄄scale mining and stress鄄releasingmining in deep mine.Key words:super鄄large鄄scale mining;multi鄄level mining;stress perturbation1摇 前言某铁矿是目前国内设计生产规模最大的地下铁矿山,生产规模达 3 000 万 t/年,矿山地表环境复杂,矿区周边有河流、铁路、公路、文物遗址等重要设施,加之多条断裂构造叠加影响,其开采难度可想而知。开采技术条件复杂的超大规模矿山,对采矿方法结构参数、回采顺序等的工艺技术要求比普通矿山更高。2摇 超大规模开采的时空特征2郾 1摇 连续盘区同时开采为提高生产效率,针对走向长度有限、矿体产状具备条件的矿体,通常采用盘区式开采,在每个盘区内布置多个能够同时回采的采场,相对生产规模一般的矿山,在单盘区、少盘区或间隔盘区式开采不能够满足生产要求时,连续盘区同时开采模式,必然引起特殊的应力演变,对盘区内其他待采区域产生影响。2郾 2摇 多中段同时开采在单中段开采尚无法达到生产规模要求时,为进一步提高生产效率、弥补单中段生产规模的不足,针对有条件的矿体通常采用多中段同时开采模式。多中段联合开采是指沿矿体同一垂直面对上下两个或两个以上中段矿体布置多个采场同时进行开采。多中段同时开采往往会使扰动效应叠加放大,围岩稳定性变差,尤其对连续盘区开采、深部大规模开采会造成剧烈的地压活动。而当所有中段开采充填结束,各中段之间的水平隔离矿柱消失,各中段采空充填区贯通,大范围低于岩石强度的充填体叠加残余充填空区将增加大规模岩体移动的可能性,严重威1中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)胁矿山安全高效生产。国内学者针对多中段同时开采对应力叠加扰动、岩体移动、地表沉降等问题开展了丰富的研究。李兴权1综合采用模型试验、数值计算、理论分析等研究方法,分析多中段联合开采模式下围岩扰动破坏规律、应力场和位移场的变化规律、采场稳定性、上覆岩层运移规律以及地表动态移动变形规律。孟庆彬等2采用大型相似材料模型试验及采场围岩数字照相变形量测技术,揭示多中段联合开采采场围岩应力变化特征及上覆岩层移动规律。韩斌等3根据金川二矿区多中段多盘区同时回采的实际情况,采用 FLAC 数值软件对 7 种回采顺序进行了数值模拟;吴昊燕等4采用数值模拟方法对金川二矿区多中段回采开展研究。2郾 3摇 矿柱超长延时回采为了保障生产安全,根据回采工艺需要,盘区内部、盘区之间,往往留设部分规则矿柱,维持盘区内围岩自稳状态,或者经过一定的岩体加固后,处于稳定状态。矿柱的处置一般存在三种情形,一是永久不回采;二是作为盘区回采工序的其中一个步骤,在盘区回采结束时,予以回采;三是在矿山末期予以回收。本项目属于第三种情形,在经过超过 20 年的长时间服役后,再予以回收。这种情形下,既要保证矿柱在服役期的安全稳定,又要保证矿柱在服役期结束时具备回收条件,对矿柱的留设尺寸、矿柱的回收顺序都提出了特殊的要求,同时与第一、第二中情形的矿柱,应力扰动在矿柱中的时空演化规律也可能存在较大的差异。本文采用理论分析、数值模拟的方法对该铁矿复杂条件下连续盘区多中段超大规模开采矿岩扰动规律开展研究。3摇 某铁矿大规模回采模拟研究3郾 1摇 工程背景某铁矿位于辽宁省鞍山市西南 7km 处,行政区划隶属于鞍山市东鞍山镇管辖西,周边环境如图 1所示。矿体为层状,东部走向近东西、西部走向为315毅。矿层倾向 10毅 45毅,倾角上部 15毅 25毅,下部40毅 55毅,局部可达60毅。矿层延长4 593 m,向东与东鞍山矿层相连接,向西隐没于冲积平原之下,到48 勘探线被 F70 切断。矿层一般倾斜延深为 800 m左右。矿层的厚度由上向下有加厚的趋势。断裂构造为影响开采的最主要地质因素。矿床的地质构造复杂,断裂构造破坏了矿床的完整性。图 1摇 矿区周边环境现状示意图摇综合考虑资源控制程度、资源量分布情况以及氧化矿分布比例,确定以-340 m 水平为界分为上部采区和下部采区,上部采区矿体分为-160 m、-220 m、-280 m、-340 m 四个无轨开采中段,下部采区矿体分为-400 m、-460 m、-520 m、-580 m四个无轨开采中段。上部和下部两个采区同时生产,各采区均按从下往上开采顺序进行开采。首采中段为-340 m 中段和-580 m 中段。3郾 2摇 数值模型根据设计开采方案,将矿体划分为盘区,以盘区为回采单元组织生产。盘区沿走向布置,长 240 m,宽为矿体厚度,中段高度 60 m。盘区内划分为矿房和矿柱采场进行两步骤间隔回采。采场沿矿体走向布置,长度为 90 m,宽度 18 m;盘区内留 34 m 宽矿柱,盘区间留 26 m 间柱。盘区内留设的间柱待浅部和深部矿体均开采完毕后再研究如何回收。矿柱回收按大直径深孔嗣后充填法考虑,浅部和深部矿柱同时回采,回采顺序均由下至上。间柱回采考虑由上盘开始后退式回采,每次回采长度约 30 m。采场结构水平剖面图如图 2 所示。综合考虑矿区地质情况和采场结构参数,建立全矿区的三维地质模型。为方便采场结构参数的设置,取模型长边界 X 沿矿体走向,短边界 Y 垂直于矿体走向方向,竖直方向为 Z 方向。模型尺寸长 伊宽 伊 高为 9 216 m 伊 4 096 m 伊 1 050 m,模型示意如图 3 所示。为了使数值模拟与设计方案更加一致,以便真实准确的反应实际开采工况,模型建立时还考虑了对开采影响较大的 F16 和 F6 断层,同时对矿体设计开采范围(高程-580 -100 m 之间、10#勘探线以西)内的矿体进行网格加密,最小单元尺寸为 2 m,2摇第 1 期吴昊燕等:复杂条件超大规模连续盘区多中段开采应力扰动规律研究图 2摇 采场结构水平剖面图摇图 3摇 模型整体示意图摇围岩区域网格渐进式放大,最大单元尺寸为 128 m。模型 建 立 后,共 生 成 4 577 634 个 网 格 单 元,5 096 914 个网格节点,具体模型如图 4 所示。图 4摇 矿体、断层模型摇前期开展了岩石力学特性与采场稳定性研究,在室内岩石力学试验的基础上,结合现场岩体质量调查,通过基于霍克布朗准则的参数折减,获得了符合某铁矿岩体工程实际的力学参数。详见表 1。表 1摇 模型矿岩体力学参数表试验体密度/g cm-3黏聚力/MPa内摩擦角/(毅)弹性模量/GPa泊松比围岩2 8003郾 43211郾 80郾 24矿体3 4003郾 953616郾 20郾 2充填体1 8000郾 867300郾 9870郾 3摇 摇 采用水压致裂法完成了三个孔的地应力测量工作,图 5 所示为 ZKB39 孔实测主应力随深度变化的曲线。图 5摇 ZKB39 钻孔主应力值随深度变化摇滓H=-0郾 037 伊 h-2郾 302(1)滓v=-0郾 026 伊 h-0郾 0075(2)滓h=-0郾 028 伊 h-2郾 095(3)式中:滓H为最大水平主应力,MPa;滓h为最小水平主应力,MPa;滓v为铅直主应力,MPa;h 为钻孔测深,m。3郾 3摇 采充模拟顺序设计以-340 m 水平为界分为上部采区和下部采区,两个采区同时回采。上部采区矿体分为-160 m、-220 m、-280 m、-340 m 四个无轨开采中段,下 部 采 区 矿 体 分 为-400 m、-460 m、-520 m、-580 m 四个无轨开采中段,每个中段高度 60 m。其中,每个盘区长度为 240 m,盘区之间矿柱宽 26 m,盘区中部矿柱宽 34 m,一个盘区分为左右两个半区,采场半区宽度为 90 m。每个半区内继续划分矿房、矿柱进行两步骤回采,一步骤回采矿房,二步骤回采矿柱。矿房矿柱宽度均为 18 m。模型水平剖面如图 6 所示。为方便查看结果,取盘区内 34 m 宽矿柱中心 A鄄A 剖面,采区中心 B鄄B 剖面,盘区间 26 m 宽矿柱中心 C鄄C 剖面。图 6摇 矿体模型水平剖面图摇上部和下部两个采区同时生产,各采区均按从下往上开采顺序进行开采。每次回采都按照先采一步骤矿房采场,充填后再采二步骤矿柱采场,充填后3中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)进入下一个开采步,共分 8 个开采步,具体顺序见表 2。表 2摇 某铁矿开采模拟顺序表步骤开采范围1-580 -520 m 一步骤回采、-340 -280 m 一步骤回采2-580 -520 m 二步骤回采、-340 -280 m 二步骤回采3-520 -460 m 一步骤回采、-280 -220 m 一步骤回采4-520 -460 m 二步骤回采、-280 -220 m 二步骤回采5-460 -400 m 一步骤回采、-220 -160 m 一步骤回采6-460 -400 m 二步骤回采、-220 -160 m 二步骤回采7-400 -340 m 一步骤回采、-160 -100 m 一步骤回采8-400 -340 m 二步骤回采、-160 -100 m 二步骤回采4摇 结果讨论受篇幅所限,仅选取开采的第 2、4、6、8 步对34 m 矿柱、26 m 矿柱和采场的最大主应力、最小主应力和塑性区演化进行分析。4郾 1摇 矿柱分析垂直矿体走向 A鄄A 剖面盘区 34 m 矿柱最大主应力场如图 7 所示,在矿体的开采过程中,该剖面的矿柱应力集中不断转移。第 2 步开采完毕,最大主应力主要集中于-580 m 水平附近,最大值约50郾 18 MPa,第4 步开采完毕,最大主应力集中区向上扩展,最大值约为 50郾 36 MPa,第 6 步开采完毕,最大主应力集中区进一步向上扩展,最大值约为50郾 50 MPa,第 8 步开采完毕,最大主应力集中区进一步向上扩展,最大值约为 50郾 61 MPa,-340-580 m 之间下采区应力为 35 50 MPa。图 7摇 A鄄A 剖面最大主应力演化摇垂直矿体走向 A鄄A 剖面盘区 34 m 矿柱最小主应力场如图 8 所示。矿体的开采对 34 m 间柱形成卸压影响,表现为对应开采水平的矿柱区域最小主应力大幅降低,并带动周边围岩形成卸压区。整个开采过程中,34 m 矿柱该剖面范围内未见拉应力区。图 8摇 A鄄A 剖面最小主应力演化摇垂直矿体走向 A鄄A 剖面盘区 34 m 矿柱塑性区如图 9 所示。第 2 步开采完毕,34 m 矿柱该剖面内出现极少曾经发生剪切破坏的塑性区,第 4 步开采完毕,在-520 m 水平左右出现曾经发生剪切破坏的塑性区。第 6 步开采完毕,塑性区面积较上一步增大。第 8 步开采完毕,塑性区面积较上一步增大。值得注意的是,该剖面塑性区均为曾经发生剪切破坏现已恢复弹性,且均分布在-340 m 以下采区。图 9摇 A鄄A 剖面塑性区演化摇垂直矿体走向 C鄄C 剖面盘区 26 m 矿柱最大主应力场如图 10 所示。在矿体的开采过程中,该剖面的矿柱应力集中不断转移。第 2 步开采完毕,最大主应力主要集中于-580 m 水平附近,最大值约50郾 19 MPa,第 4 步开采完毕,最大主应力集中区向上扩展,最大值约为 50郾 39 MPa,第 6 步开采完毕,最大主应力集中区进一步向上扩展,最大值约为52郾 71 MPa,第 8 步开采完毕,最大主应力集中区进一步向上扩展,最大值约为 54郾 96 MPa,-340-580 m 之间下采区应力为 35 50 MPa,相较 34 m矿柱,26 m 矿柱应力集中区范围扩至-340 m 水平以上。垂直矿体走向 C鄄C 剖面盘区 26 m 矿柱最小主4摇第 1 期吴昊燕等:复杂条件超大规模连续盘区多中段开采应力扰动规律研究图 10摇 C鄄C 剖面最大主应力演化摇应力场如图 11 所示。矿体的开采对 26 m 盘区间柱形成卸压影响,表现为对应开采水平的围岩区域最小主应力大幅降低,并带动周边围岩形成卸压区。在开采 4 步、开采 6 步出现极小拉应力区,但最后一步开采时,矿柱该剖面范围内未见拉应力。图 11摇 C鄄C 剖面最小主应力演化摇垂直矿体走向 C鄄C 剖面盘区间 26 m 矿柱塑性区变化如图 12 所示。第 2 步开采完毕,26 m 矿柱该剖面内-565 -535 m 之间出现少量曾经发生剪切破坏的塑性区,较 34 m 矿柱内塑性区面积大;第 4 步开采完毕,塑性区面积较上一步增大,范围增至-565 -475 m。第 6 步开采完毕,塑性区面积较上一步增大,范围增至-565 -400 m。第 8 步开采完毕,塑性区面积较上一步增大,且-340 m 水平附近出现剪切破坏塑性区,且-490 m 水平靠近下盘附近也出现剪切破坏塑性区,但两处塑性区并未贯通。4郾 2摇 采场分析垂直矿体走向 B鄄B 剖面采区最大主应力场如图 13 所示。在矿体的开采过程中,该剖面的矿柱应力集中不断转移。第 2 步开采完毕,水平矿柱高180 m,最大主应力主要集中于下采区采场顶底板与侧帮夹角附近,最大值约 50郾 18 MPa,两帮呈卸压状态,第 4 步开采完毕,水平矿柱高 120 m,最大主应图 12摇 C鄄C 剖面塑性区演化摇力集中规律同第 2 步开采,最大值约为 50郾 38 MPa,第 6 步开采完毕,水平矿柱高 60 m,最大主应力集中规律同第 4 步开采,最大值约为 50郾 53 MPa,第 8步开采完毕,最大主应力集中与-580 m 水平与上下盘围岩交界处,最大值约为 50郾 64 MPa。卸压特征表现为上盘较下盘更为明显,上采区较下采区更为明显,两帮较顶底板更为明显。图 13摇 B鄄B 剖面最大主应力演化摇垂直矿体走向 B鄄B 剖面采场最小主应力场如图 14 所示。第 2 步开采完毕,采场的顶底板及两帮呈卸压状态,第 4 步开采完毕,水平矿柱之间的卸压区呈 X 型。第 6 步开采完毕,水平矿柱呈完全卸压状态,第 8 步开采完毕,上盘围岩卸压效果较下盘更为明显。整个开采过程中,该剖面没有拉应力区。图 14摇 B鄄B 剖面最小主应力演化摇5中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)垂直矿体走向 B鄄B 剖面采场塑性区变化如图15 所示。其中,白色区域为充填区。第 2 步开采完毕,水平矿柱高 180 m,采场周边围岩以曾经剪切破坏塑性区为主,伴随极少曾经拉伸破坏塑性区,且下部采区塑性区面积大于上部采区。第 4 步开采完毕,水平矿柱高 120 m,塑性区分布与第 2 步存在相似规律。第 6 步开采完毕,水平矿柱高 60 m,拉伸破坏塑性区占比增加,且在下采区上盘围岩附近出现少量正在发生剪切破坏的塑性区。第 8 步开采完毕,水平矿柱开采完毕,塑性区分布规律与第 6 步存在相似规律。图 15摇 B鄄B 剖面塑性区演化摇纵观图 7 图 15,根据塑性区贯通及应力集中情况显示,盘区内部 34 m 矿柱稳定性明显高于盘区间 26 m 矿柱稳定性。矿柱和盘区的应力集中随着开采的进行不断变化,在最终开采步,26 m 矿柱应力集中情况最为严重,最大主应力值最大,其次是采场最大主应力值,34 m 矿柱最大主应力值最小。上采区(-340 m 以上)塑性区破坏及应力集中情况明显小于下采区(-580 m 以上)。采场-580 m 水平附近应力集中最为明显,且贯穿整个回采阶段,因此该水平应做重点监测并采取对应措施降低失稳风险5-6。5摇 结论(1)本文初步模拟研究表明,某铁矿采用大直径空场嗣后充填采矿法进行开采可以保证多中段采摇 摇 摇场的稳定性。(2)模拟结果显示,超大规模连续盘区多中段开采模拟,多中段开采的扰动叠加效应对 26 m 矿柱作用明显,表现为塑性区范围较 34 m 矿柱和采场最广、最大主应力值最大。矿柱的回收应根据后期开采推进和地质情况揭露开展岩石力学专题研究。(3)多中段开采实为一种卸压开采,具体表现为通过最小应力云图可发现两中段之间的水平矿柱存在明显的卸压区。值得注意的是,岩石力学研究应该是服务于矿山开采全生命周期并依托于矿山开采全生命周期。在探建结合、探采结合的原则下,不断更新岩石力学相关参数,修正模拟计算,为采场结构参数和回采顺序优化提供更加科学的指导。此外,数值模拟存在理想化假定的局限,实际生产施工情况非常复杂,比如充填体的接顶、强度控制等均与数值模拟计算存在较大差异。矿山开采过程中应加强监测手段,结合理论计算与数值模拟结果为矿山安全高效回采提供充分的科学指导。参考文献1摇 李兴权.白象山铁矿多中段联合开采围岩扰动效应研究D.徐州:中国矿业大学,2019.2摇 孟庆彬,王锐,韩立军,等.多中段联合开采围岩扰动效应及采矿进路支护技术J.中南大学学报(自然科学版),2023,54(3):930-943.3摇 韩斌,吴爱祥,刘同有,等.金川二矿区多中段机械化盘区回采顺序的数值模拟优化研究J.矿冶工程,2004,24(2):4-7.4摇 吴昊燕,刘育明,寇永渊,等.深井矿山下向水平分层充填开采与水平矿柱应力演化研究J.中国矿山工程,2021,50(6):1-6.5摇 吴昊燕,张爱民,王志远.深井大规模进路充填开采扰动效应影响分析J.中国矿山工程,2022,51(3):33-37.6摇 赵毅鑫,赵良辰,杨东辉,等.基于改进组合弹簧模型的矿井地应力场计算方法J.采矿与岩层控制工程学报,2024,6(1):103-116.6