某磷矿深部缓倾斜矿体采场结构参数数值模拟研究

2021-08-08曾佳龙朱阳亚周勇郭旺邹多利

采矿技术 2021年4期

曾佳龙，朱阳亚，周勇，郭旺，邹多利

(中蓝长化工程科技有限公司，湖南长沙 410012)

0 引言

湖北宜昌某磷矿的含磷矿层赋存于震旦系陡山沱组中下部地层中，在矿区内为隐伏磷矿层,沿走向控制的长度约4000 m，沿倾向控制的宽度约3000 m，赋存标高为−164.307（ZK1101）m～406.602（ZK507）m，埋深570.15（ZK101）m～879.40（ZK1101）m，呈似层状～透镜状产出，产状平缓，倾角7°～11°。Ⅰ号矿体分布区南采区为首采区，矿体沿走向长度约1600 m，沿倾向宽度约2000 m，赋存标高为44.438～422.578 m，埋深569.87～859.26 m，均位于当地侵蚀基准面（545.20 m）以下，属典型的隐伏矿床，矿层总体倾向北东，倾角4°～13°。由于矿体埋藏较深，同类型矿山在湖北地区开采实例较少，无可提供参考借鉴的工程经验。本文借助有限元软件Midas-GTS 对七里冲磷矿采场结构参数进行模拟，研究分析普通点柱法和条带嗣后充填法两种采矿方法不同采场结构参数下，顶底板及矿柱的应力应变情况，为矿山科学确定采场结构参数提供依据。

1 矿山开采技术条件

矿体赋存于陡山沱组胡集段下亚段，矿层的顶板为中厚层状细晶白云岩，厚0～9.40 m，其上为连续沉积的灰黑色含燧石扁豆体泥质白云岩，分布稳定，风化后较松散，厚13.00～51.10 m；矿层的底板为中厚层状含硅质白云岩，厚1.15～15.10 m。矿层直接顶板为泥质白云岩，其RQD 平均值为74%，岩石质量等级Ⅲ级，即岩体中等完整、岩石质量中等、岩体质量中等；矿层直接底板为细晶白云岩，其RQD 平均值为82%，岩石质量等级Ⅱ级。根据矿体赋存条件，较适宜的采矿方法为普通房柱法和条带嗣后充填法。

2 数值模拟分析

2.1 计算模型建立及参数设定

以普通房柱采矿法及条带嗣后充填采矿法为基础建立几何模型，分别以1 个标准矿块为研究对象，单个矿块走向长104 m，倾向长100 m，矿体倾角为9°。由圣维南原理可知，岩体的局部开采仅对有限范围有明显的影响，考虑模拟的边界效应，将有限元模型按所研究对象尺寸的3～5 倍建模。

根据初步设计方案及上述研究结果，模型一为普通房柱法采矿模型，矿块沿走向长104 m，沿倾向长100 m，矿块间留宽4 m 的间柱，顶底柱沿走向布置，矿房内留规则的点柱，点柱尺寸为5 m×5 m；模型二为条带嗣后充填法采矿模型，矿块沿走向长104 m，沿倾向长100 m，矿块间留宽6 m 的间柱，矿块中沿走向间隔布置条带矿柱、矿房，矿柱宽6 m，矿房宽8 m。划分网格时，为提高矿块点柱模拟结果的精密度，对内部矿区实体采用小尺寸网格划分，最终生成的网格和建好的模型如图1所示。

图1 采动模拟与稳定性分析模型

2.2 岩体强度参数

本次模拟所用的矿岩力学参数由于缺乏各岩层抗拉强度、弹性模量和泊松比这3 项参数及充填料的力学参数，参考了其他矿山的相关数据。模拟所采用的物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数

2.3 采用的屈服准则

假设矿岩为理想弹塑性体，考虑三维主应力对岩石抗剪强度的影响，以及内摩擦角和内聚力引起的屈服和体积膨胀作用，采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏。

2.4 边界条件及收敛判据

2.4.1 边界条件

由于分析的盘区处于整个矿体中，当矿体进行开采时，必然引起整个应力场、应变场的变化，所以必须从整体出发，确定分析时的边界条件，该数值模拟计算涉及到的边界条件主要为结构应力分析边界条件。其边界条件确定如下：对位移边界条件，模型4 个侧面约束x向、z向各自由度，模型底面约束x向、y向及z向各自由度；对应力边界条件，主要考虑地应力场作用，根据七里冲磷矿详查报告，Ph2 矿层埋深为569.87～995.62 m，平均埋深约750 m，初算垂直应力为σv=19.77 MPa。参照文献《中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究》，埋深1500 m 以内，垂直应力σv=20.32 MPa。可见参照该文献计算值较为准确，则本模型垂直应力取值20.32 MPa。侧压系数亦参照该文献，根据埋深取定最大水平主应力与垂直应力之比为0.83，最小水平主应力与垂直应力之比为0.44。

2.4.2 收敛判据

在进行计算前，需设定计算收敛判据。本次计算采用软件默认收敛准则：当内力（U）收敛容差为10−3、能量（W）收敛容差为10−6时，终止计算，认为计算达到收敛。

2.5 开采过程模拟

2.5.1 普通房柱法采动过程模拟

根据设计的回采工艺，本模型对一个标准矿块的开采进行模拟分析，具体为由上矿层切割上山端部向两端掘进一条水平巷道，在回采过程中间隔13 m 左右掘进下一水平的切割槽，依次进行，在回采过程中，从切割巷道中央向两端、沿切割上山从上往下退采，沿走向留设5 m×5 m 的规则矿柱，在矿块四周留设宽为4 m 的连续间柱和顶底柱。模拟分析结果如图2～图5 所示。

图2 开采终态顶板位移云图

图3 开采终态顶板最大主应力云图

由图2～图5 可以看出，当模拟一个标准矿块采用普通房柱法回采时，上矿层直接顶板位移下沉最大值为3.82 mm，拉应力最大值为0.67 MPa，压应力最大值为0.54 MPa，皆小于上矿层直接顶板的力学强度值，说明1 个矿块回采完毕后，矿层直接顶板比较稳定；点柱位移最大值为2.61 mm，压应力最大值为69.58 MPa，压应力极值较大，超出了抗压强度，说明产生了压应力集中区域，主要集中在点柱四周，该区域点柱会产生塑性屈服应变，导致点柱部分矿体碎裂脱落。根据矿柱受力区域分析，压应力集中区域约占矿柱总体积的20%左右，大部分点柱都能有效支撑直接顶板和上覆岩层，因此可以推断整个空区不会失稳。

图4 开采终态点柱位移云图

图5 开采终态点柱最大主应力云图

2.5.2 条带嗣后充填采矿法采动过程模拟

根据设计的回采工艺，本模型对一个条带嗣后充填采矿矿块的开采进行模拟分析，具体为先回采条带矿柱，待回采完所有条带矿柱后进行胶结充填，充填体达到一定强度后再回采条带矿房。所有条带矿柱、矿房均分两层自上而下进行回采，先回采上分层，采完上分层后，再采下分层，矿柱条带尺寸为6 m，矿房条带尺寸为8 m，模拟分析结果如图6～图9 所示。

由图6～图9 可以看出，当一个标准矿块进行条带嗣后充填采矿法回采时，上矿层直接顶板位移下沉最大值为17.07 mm，拉应力最大值为2.17 MPa，压应力最大值为53.64 MPa，仅矿块顶板端部产生了压应力集中，但压应力集中区域较小，综合判断顶板较为稳定；条带矿柱回采完毕充填后进行条带矿房回采，回采完毕后条带矿柱最大位移下沉值为16.5 mm，最大拉应力值为0.12 MPa，压应力最大值为4.34 MPa，说明模拟过程中条带充填矿柱对顶板进行了有效支撑，并且充填体保持稳定状态。