中深孔房柱开采嗣后充填采矿法采场安全稳定性研究.pdf

中深孔房柱开采嗣后充填采矿法采场安全稳定性研究席政1,湛娇2,席德美3,席燕4(1.毕节市应急管理服务中心,贵州 毕节市 5 5 1 7 0 0;2.赫章县第二中学,贵州 毕节市 5 5 3 2 0 0;3.盘州市水务局,贵州 六盘水市 5 6 1 6 0 1;4.湖北省华网电力工程有限公司贵州分公司,贵州 贵阳 5 5 0 0 0 3)摘 要:以贵州某磷矿为研究对象,运用F L A C 3 D对中深孔条带和水平条带房柱开采嗣后充填采矿法采动模拟进行矿体开采过程的三维力学计算分析。采用中深孔条带房柱开采嗣后充填采矿法上分段首次开采时顶板沉降量为2.7 4mm,矿柱开采时顶板沉降量增加至1.3 8c m,下分段开采过程中,顶板沉降最大值分别为1.4 2c m、1.7 5c m,上分段矿房回采完成后矿柱所受压力约1 2M P a,下分段矿柱开采完成后压力增至1 41 5M P a,上、下分段各步骤下最大主应力都呈现出受压状态,岩体未产生受拉破坏;中深孔水平条带房柱开采嗣后充填采矿法下、上两个分层矿房、矿柱顶板沉降数值分别为3.6 7mm、7.0 9mm、9.7 1mm、1.5 5c m,下、上两个分层矿房开挖完成后矿柱所受压应力为7 8M P a,各步骤下围岩最大主应力都表现为受压状态。从综合位移变化、应力分布情况来看,充填体能够起到一定的承压作用,总体来说开采过程趋于稳定。关键词:磷矿;中深孔房柱开采嗣后充填采矿法;采场稳定性;顶板沉降0 前言目前,非金属地下矿山稳定性预测的分析研究已被广泛应用于实际工程中,并发挥了相当重要的作用,逐步被引用到矿山工程当中。经过长期不断发展,国内外矿山稳定性预测的分析研究种类繁多,马金亚等1对阶段空场嗣后充填采矿法采场结构参数了研究,张云韦等2提出采场稳定性数值模拟分析,罗黎明3研究了F L A C 3 D在地下矿山采场稳定性分析中的应用,齐发富等4对采矿工艺与采场稳定性进行了分析研究,胡超等5对阶段嗣后充填法采场应力与变形规律及稳定性进行了研究。本文运用F L A C 3 D对中深孔条带和水平条带房柱开采嗣后充填法采动模拟进行矿体开采过程的三维力学计算分析,主要研究围岩综合位移变化和应力分布情况,为下一步开采过程中制定和采取安全防范措施提供参考依据。1 模型建立1.1 基本假设对围岩介质性质及计算模型作必要的假设,也要对矿山地质条件、受力条件、采空区等作必要的简化处理,本次模型建立的简化处理如下:(1)将围岩视为连续均质、各向同性的力学介质;(2)忽略小型断层、节理、裂隙等不连续面对矿体开采过程中的影响;(3)计算过程只对静荷载进行分析且不考虑岩体的流变效应,不考虑地下水、爆破振动对采场稳定性的影响;(4)井下的开拓巷道、采场工程等对采空区围岩力学状态的影响只在局部区域,因此忽略对采空区围岩应力分布的影响。1.2 强度准则构造一个模拟空区围岩的数值模型需要定义岩体性质的数学模型,即本构模型。由于本次计算研究范围涉及的岩体、矿体及充填体均属弹塑性材料,因此,模拟计算可采用理想弹塑性本构模型 摩尔 库仑(M o h r-C o u l o m b)屈服准则判断岩体的破坏情况:fs=1-31+s i n1-s i n-2c1+s i n1-s i n式中,1,3分别为最大和最小主应力;c,分别为黏结力和内摩擦角。当fs0时,材料将发生剪切I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3破坏。在通常应力状态下,岩体的抗拉强度很低,因此可根据抗拉强度准则(3T)判断岩体是否产生拉破坏。1.3 边界条件与参数相同地质条件下,采场结构参数不同,开采过程中的应力分布、位移变化也存在差异,开采下的应力与位移变化情况决定了采场整体的稳定性,从而影响矿体安全开采。矿体开采过程中应力传递与分布、位移变化情况复杂,可利用数值计算方法进行采场结构参数的稳定性分析。各个岩层围岩力学参数依据为2 0 2 0年 贵州省某磷矿勘探(保留)资源储量核实报告,并结合常用的围岩力学参数表补充选取,具体围岩物理力学参数见表1,充填体用料参数见表2,将参数代入模型中进行数值模型初始化,得到围岩体的原岩应力场,完成模型构建工作。表1 围岩物理力学参数层位密度/(g/3)抗拉强度/M P a弹性模量/G P a泊松比/黏聚力/M P a内摩擦角/()1 m 2.5 05.4 5 51 1.3 90.3 10.3 23 7 1 n 2.6 26.1 02 6.8 80.2 91.4 44 2 1 g z 2.7 43.6 22 3.6 20.3 03.6 42 8.5Z2d y 2.7 36.5 54 3.9 80.2 74.8 43 8表2 充填体用料参数充填类型 灰砂比抗压强度/M P a充填体质量/(k g/m3)砂浆密度/(k g/m3)所占比例/%一步骤高强度充填1 4R 2 8 1.51 3 8 41 8 5 1.45 0二步骤低强度充填1 1 0 R 2 8 0.51 3 2 81 8 4 1.62 5二步骤低强度充填1 2 0 R 2 8 0.21 3 0 51 8 3 8.02 52 中深孔条带房柱开采嗣后充填采矿法采动模拟分析 这种采矿方法适用于矿体顶板稳定性中等及以上、矿体与围岩接触面平整、水平或缓倾斜矿体。盘区沿走向长为2 0 0m,中段高度为3 0m,1 5m为一个分段,斜长为2 0 3m,走向上从盘区一翼向另一翼后退式开采,开采时先采奇数矿房,开采完后用高强度充填料充填作为偶数矿房开采时的矿柱;充填体强度达标后,再开采偶数矿房,开采完成后使用尾矿砂充填,可以不加水泥或加少量水泥。构建模型尺寸为6 0 0m 6 0 0m 4 0 0m,数值模型如图1所示。图1 计算模型2.1 位移分析对其中一个标准盘区开采过程进行研究分析,每步骤下开采、充填完成后的位移变化情况如图2所示。(a)上分段矿房开采(b)上分段矿房充填(c)上分段矿柱开采(d)上分段矿柱充填(e)下分段矿房开采(f)下分段矿房充填(g)下分段矿柱开采(h)下分段矿柱充填图2 正面位移云图由图2可知,上分段矿房回采后,采空区顶板形成了半椭圆形沉降区域,首次开采扰动后顶板沉降量为2.7 4mm,上分段矿柱开采时顶板沉降有明显26采矿技术2 0 2 3,2 3(3)增加,增加至1.3 8c m,矿房开采完成后原岩矿柱作为支撑体,其强度要远大于充填体强度,因此顶板沉降发生较大的变化。下分段两个步骤回采过程中,顶板沉降变化规律与上分段基本一致,顶板沉降最大值分别为1.4 2c m、1.7 5c m。上、下分段矿房、矿柱开采充填完成后顶板在充填达到强度期间有小幅度的沉降。2.2 垂直应力分析在各个步骤的开采下,充填体垂直应力分布变化情况如图3所示。(a)上分段矿房开采(b)上分段矿房充填(c)上分段矿柱开采(d)上分段矿柱充填(e)下分段矿房开采(f)下分段矿房充填(g)下分段矿柱开采(h)下分段矿柱充填图3 正面垂直应力云图由图3可知,上、下分段矿房开采完成后,矿柱呈现为受压状态,上分段矿房开采完成后整个采空区顶板存在应力集中区域,矿柱所受压力约1 2M P a,下分段矿柱开采完成后应力集中区域逐渐扩大,顶底板及矿柱都为高受压区域,压力为1 41 5M P a,都未达到矿层的抗压强度。各步骤开采区域两翼、矿房进深方向中部区域都存有小范围的应力集中。矿柱开采过程中,矿房充填体整体的承压状态良好,表明充填体较好地支撑了采空区,为矿柱开采提供了条件。2.3 最大主应力分析地下矿体开采过程中会造成应力重新分布,岩体会表现出不同的压力状态,上、下分段各步骤下的最大主应力分布情况如图4所示。(a)上分段矿房开采(b)上分段矿房充填(c)上分段矿柱开采(d)上分段矿柱充填(e)下分段矿房开采(f)下分段矿房充填(g)下分段矿柱开采(h)下分段矿柱充填图4 正面最大主应力云图由图4可知,上、下分段各步骤下最大主应力都呈现出受压状态,未对岩体产生拉伸状态。矿房、矿柱充填完成后呈现出较好的受压状态,基本上不会发生受拉破坏的情况。因初次开采扰动应力未完全重新分布,承压要较大一些,所以上分段矿房充填最大主应力要偏高于后续步骤下开采产生的最大主应力。3 中深孔水平条带房柱开采嗣后充填采矿法采动模拟分析3.1 位移分析该采矿方法下盘区内矿体分成两层开采,首先对开采靠近底板的矿体,开采完后用高强度尾砂充填体材料进行充填,再在充填体上对上一层进行开采。每层矿体均从下往上按照奇偶数矿房间隔开采,上层矿体的奇数矿房开采完后用高强度尾砂充填体充填,偶数矿房采后用低强度尾砂充填,各个步骤下位移开采变化如图5所示。36席政,等:中深孔房柱开采嗣后充填采矿法采场安全稳定性研究(a)下分层矿房开采(b)下分层矿房充填(c)下分层矿柱开采(d)下分层矿柱充填(e)上分层矿房开采(f)上分段矿房充填(g)上分层矿柱开采(h)上分层矿柱充填图5 各步骤下位移云图由图5可知,下、上两个分层矿房、矿柱顶板沉降数值分别为3.6 7mm、7.0 9mm、9.7 1mm、1.5 5c m,每步骤下开采充填完成后顶板沉降都有一定程度的变化,但 增 加 幅 度 都 不 大,分 别 为3.7 1 mm、7.1 7mm、9.7 9mm、1.5 6c m,顶板沉降数值总体较小,顶板在开采过程中未发生较大的变形。3.2 最小主应力分析各个步骤下最小主应力分布情况如图6所示。(a)下分层矿房开采(b)下分层矿房充填(c)下分层矿柱开采(d)下分层矿柱充填(e)上分层矿房开采(f)上分段矿房充填(g)上分层矿柱开采(h)上分层矿柱充填图6 各步骤下最小主应力云图由图6可知,下、上两个分层矿房开挖完成后矿柱都呈现出较好的承压作用,矿柱所受压应力为7 8M P a,且每步骤下充填完成后应力都有一定程度的重新分配,表明充填体也起到了较好的支撑作用,能够给矿柱开采提供支撑,确保矿柱开采的安全性。3.3 最大主应力分析各个步骤下最大主应力分布情况如图7所示。(a)下分层矿房开采(b)下分层矿房充填(c)下分层矿柱开采(d)下分层矿柱充填(e)上分层矿房开采(f)上分段矿房充填(g)上分层矿柱开采(h)上分层矿柱充填图7 各步骤下最大主应力云图由图7可知,岩石抗拉强度要远小于岩石抗压强度,在进行开采扰动分析时更应侧重岩体、46采矿技术2 0 2 3,2 3(3)围岩的受拉情况,通过云图分析可知,各步骤下岩体、围岩最大主应力都表现为受压状态,并未出现较大的受拉区域,且充填体在各步骤下最大主应力也都为受压,说明充填体承压状态较好,未发生拉伸破坏。4 结论通过对研究对象进行数值模拟假设,采用理想弹塑性本构模型 摩尔 库仑屈服准则判断岩体的破坏,模拟相同地质条件下,不同的采场结构参数,开采过程中的应力分布、位移变化参数等,运用F L A C 3 D软件对中深孔条带和水平条带房柱开采嗣后充填采矿法两种情况的采动进行模拟分析。从综合位移变化、应力分布情况来看,上、下分段矿房、矿柱开采过程中稳定性较为良好,未出现明显的顶、底板大变形,矿岩、围岩也未出现极高受压、受拉区域,充填体能够起到一定的承压作用,总体来说开采过程中围岩体趋于稳定。参考文献:1 马金亚,廖九波,王筱添,等.黄沙坪矿区阶段空场嗣后充填法采场结构参数研究 J.采矿技术2 0 2 2,2 2(0 4):1-3.2张云韦,尹裕,潘健.某银铅矿采场稳定性数值模拟分析J.现代矿业,2 0 2 1,3 7(1 0):2 0 3-2 0 5+2 0 8.3罗黎明.F L A C 3 D在地下矿山采场稳定性分析中的应用J.铜业工程,2 0 2 1,(0 4):3 3-3 6.4齐发富,李学锋,宋子贺,等.大洞金矿采矿工艺与采场稳定性分析研究J.矿业研究与开发,2 0 2 1,4 1(0 7):1 9-2 4.5胡超,丁成功,金长宇,等.阶段嗣后充填法采场应力与变形规律及稳定性研究J.金属矿山,2 0 2 1(0 7):5 8-6 5.(收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 8)作者简介:席政(1 9 8 8),男,工程师,主要从事采矿技术及安全生产管理研究,E-m a i l:4 9 5 8 8 7 1 4 8 q q.c o m。56席政,等:中深孔房柱开采嗣后充填采矿法采场安全稳定性研究