深井超大面积开采不同卸压方案对比研究

张爱民， 刘育明， 张少杰

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

随着我国浅部矿产资源日益减少以及采掘设备的大型化，矿产资源的开采逐渐向深部和大规模两个方向发展[1-4]。针对深井超大面积开采过程中可能出现的岩爆、大变形等问题，通过卸压手段主动降低大型矿柱中赋存的高应力，是比较有效且重要的对策措施[5-8]。本文采用数值模拟方法，对某深井硬岩矿山大型条形矿柱的不同卸压方案进行分析对比研究，这对矿山安全高效开采具有十分重要的意义，同时可为类似开采条件下的深井矿山卸压开采提供借鉴参考。

2 工程背景

某铁矿属隐伏盲矿床，矿体埋藏深度404～1 934 m，东西长1 500 m，南北平均宽度960 m，最大垂直深度1 580 m，矿体平均厚度246.84 m，倾角约70°。矿体主要呈厚层状产出，总体形态似一个巨大的“金元宝”，区内地质构造简单，岩石较完整。

根据矿体的开采技术条件，设计主要采用大直径深孔空场嗣后充填法开采。为了保持采矿区域的整体稳定性和考虑采矿工程布置的需要，在盘区之间沿最大主应力方向布置了大型条形矿柱，盘区内布置采场，采场尺寸40 m×40 m，高度60 m。

3 数值模拟

3.1 计算模型

根据矿山的工程地质条件和开采方案，建立FLAC3D精准数值模型。模型X轴沿矿柱走向，长度为4 800 m；模型Y轴垂直矿柱走向，长度为4 800 m；模型高为1 620 m(标高从-1 620 m至0 m)，具体如图1所示。图2所示为数值模型的核心部分，即矿体的三维模型，尺寸为1 600 m×1 600 m×1 620 m。-960 m中段盘区与矿柱的布置，具体如图3所示。1号矿柱宽60 m，2号矿柱宽100 m，3号矿柱宽60 m。为了准确获取矿柱中的应力状态，在矿柱中布置了应力监测点(A1、B1和C1等)。

图1 三维数值模型

图2 三维模型核心部分

图3-960 m中段盘区与矿柱的布置平面图

3.2 地应力特征及边界条件

根据矿山水压致裂地应力测量研究的数据显示：矿区应力场以水平应力为主导，最大水平主应力与铅直主应力的比值均在1.61左右，最大主应力方向为近NEE向，平均方向为67.83°。矿区测点的最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的综合线性回归方程为

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——最大水平主应力，为压应力，与矿体走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主应力，为压应力，与矿体走向近似垂直，MPa；

h——垂直深度，m；

R——回归系数。

研究区内的垂直应力随深度线性变化，根据矿体埋藏深度和平均岩体容重计算，模型上部施加垂直方向应力σz=5.6 MPa。考虑构造应力的影响，沿模型X轴和Y轴的水平应力分别根据式(1)和式(2)施加。模型侧面限制水平移动，模型底部限制垂直移动。

3.3 力学参数

根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试验结果，考虑到岩体的尺度效应，模拟计算采用的岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

根据材料力学特征，分别采用不同的力学模型：充填体采用理想弹塑性本构模型；围岩和矿体均采用复合摩尔库仑屈服准则，即

(3)

式中：fs——材料发生破坏的临界值，MPa；

σ1、σ3——最大和最小主应力，MPa；

c——内聚力，MPa；

φ——摩擦角，°；

当fs>0时，材料将发生剪切破坏。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(σ3≥σt(抗拉强度，MPa))判断岩体是否产生拉破坏。

3.4 计算模拟过程

为了揭示大型条形矿柱采取不同卸压方案后的卸压效果，本计算分以下步骤进行：

(1)计算模型在给定边界应力与位移条件下的初始状态。

(2)先模拟开采-1 020 m中段的矿体，再模拟开采-960 m中段的矿体。

(3)在大型条形矿柱的不同位置进行全长卸压开采，分别为：上部卸压(在-896～-900 m形成卸压层)、中部卸压(在-956～-960 m形成卸压层)、下部卸压(在-1 016～-1 020 m形成卸压层)。

(4)在大型条形矿柱的上部进行卸压开采，卸压开采的长度分别为60 m、120 m、180 m和矿柱全长。

4 计算结果分析

4.1 -960 m中段开采后的模拟结果

-960 m中段开采后A- A剖面的最大主应力场如图4所示。从图4可以看出，-960 m中段开采后，2号矿柱两侧应力值相对较低，矿柱中部的应力为50～60 MPa，矿柱四个角部的应力集中程度较高，约为108 MPa，矿柱中的应力大体上呈“X”形分布。-960 m中段开采后A- A剖面的塑性区分布如图5所示。从图5可以看出，-960 m中段开采后，A- A剖面2号矿柱两侧较多单元在以前计算循环和当前计算循环均为剪切塑性状态。-960 m中段开采后C- C剖面的最大主应力场和等值线如图6和图7所示。从图中可以看出，-960 m中段开采后，应力转移至2号矿柱的东西两侧，应力值为65～70 MPa，在2号矿柱和3号矿柱交叉位置的一定范围内应力值低于50 MPa，近似呈“U”形，上宽83 m，深49 m。

图4-960 m中段开采后A- A剖面的最大主应力场

图5-960 m中段开采后A- A剖面的塑性区分布

图6-960 m中段开采后C- C剖面的最大主应力场

图7-960 m中段开采后C- C剖面的应力等值线

4.2 上部卸压开采后的模拟结果

上部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场如图8所示。从图8可以看出，上部卸压开采后，2号矿柱上半部分的应力值有所降低，降低值最大约为6 MPa。-960 m中段开采后A- A剖面的塑性区分布如图9所示。对比图9和图5可以看出，上部卸压开采后，A- A剖面2号矿柱两侧在以前计算循环和当前计算循环均为剪切塑性状态的单元数量有所减少。

图8 上部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场

图9 上部卸压开采后A- A剖面的塑性区分布

4.3 中部卸压开采后的模拟结果

中部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场如图10所示。从图10可以看出，中部卸压开采后，2号矿柱上半部分和下半部分的应力值均有所降低，降低值最大约为6 MPa。中部卸压开采后A- A剖面的塑性区分布如图11所示。对比图11和图5可以看出，中部卸压开采后，A- A剖面2号矿柱两侧在以前计算循环和当前计算循环均为剪切塑性状态的单元数量有所减少。

图10 中部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场

图11 中部卸压开采后A- A剖面的塑性区分布

4.4 下部卸压开采后的模拟结果

下部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场如图12所示。从图12可以看出，下部卸压开采后，2号矿柱下半部分的应力值均有所降低，降低值最大约为8 MPa。中部卸压开采后A- A剖面的塑性区分布如图13所示。对比图13和图5可以看出，下部卸压开采后，A- A剖面2号矿柱两侧在以前计算循环和当前计算循环均为剪切塑性状态的单元数量有所减少。

图12 下部卸压开采后A- A剖面的最大主应力场

图13 下部卸压开采后A- A剖面的塑性区分布

将不同开采工况时2号矿柱中监测点C1在深度方向上-1 080～-840 m的单元应力输出，并绘制成应力变化曲线，如图14所示。从图14可以看出，上部卸压开采主要可降低-900～-960 m矿柱中的应力，中部卸压开采主要可降低-900～-1 020 m矿柱中的应力，下部卸压开采主要可降低-960～-1 020 m矿柱中的应力。从卸压开采的有效影响范围大小来看，中部切顶的卸压效果优于上部切顶和下部切顶的卸压效果。

图14 不同开采工况时矿柱中的应力变化曲线

4.5 不同卸压开采长度的模拟结果

上部卸压开采长60 m时C- C剖面的最大主应力等值线如图15所示。上部卸压开采长120 m时C- C剖面的最大主应力等值线如图16所示。上部卸压开采长180 m时C- C剖面的最大主应力等值线如图17所示。上部全长卸压开采时C- C剖面的最大主应力等值线如图18所示。可以看出，在卸压开采长度为60 m、120 m和180 m时，在卸压开采区域的东西两侧应力集中程度较高，应力值约为105～108 MPa；卸压区主要位于卸压开采区域的底部。在-900 m水平，-960 m中段开采后的2号矿柱中的最大主应力约为50 MPa,因此，初步将卸压开采引起的50 MPa以下的范围定义为卸压区。上部卸压开采长60 m时，卸压区的深度为19 m，卸压区的角度为32°；上部卸压开采长120 m时，卸压区的深度为63 m，卸压区的角度为46°；上部卸压开采长180 m时，卸压区的深度为65 m，卸压区的角度为36°；上部全长卸压开采时，在2号矿柱和3号矿柱交叉位置处的卸压区的深度为61 m，在其他位置的卸压区深度约为44 m。

图15 上部卸压开采长60 m时的应力等值线

图16 上部卸压开采长120 m时的应力等值线

图17 上部卸压开采长180 m时的应力等值线

图18 上部全长卸压开采时的应力等值线

5 结论

本文采用数值模拟方法对某深井硬岩矿山大型条形矿柱的不同卸压方案进行了对比研究，得出以下结论：

(1)-960 m中段开采后，2号矿柱中的应力大体上呈“X”形分布；应力转移至2号矿柱的东西两侧；2号矿柱和3号矿柱交叉位置的一定范围内应力值低于50 MPa，近似呈“U”形。

(2)上部卸压开采主要可降低-900～-960 m矿柱中的应力，中部卸压开采主要可降低-900～-1 020 m矿柱中的应力，下部卸压开采主要可降低-960～-1 020 m矿柱中的应力。从卸压开采的有效影响范围大小来看，中部卸压的卸压效果优于上部卸压和下部卸压的卸压效果。

(3)上部卸压开采长60 m时，卸压区的深度为19 m，卸压区的角度为32°；上部卸压开采长120 m时，卸压区的深度为63 m，卸压区的角度为46°；上部卸压开采长180 m时，卸压区的深度为65 m，卸压区的角度为36°；上部全长卸压开采时，2号矿柱和3号矿柱交叉位置处的卸压区的深度为61 m，在其他位置的卸压区深度约为44 m。