基于数值模拟的马城铁矿采区矿房布置方式研究

柳振宇

(首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 063501)

0 引言

马城铁矿位于河北省滦南县马城镇，资源储量12.25 亿t，矿带长约6 km，宽约2 km，是国内首个采用上行两分段同时开采的地下充填矿山。马城铁矿开采对象为-900～-240 m之间的矿体，划分为2个采区，其中-240～-540 m为上部采区，-540～-900 m为下部采区，上下部采区同时上向开采。

一般深度大于800～1 000 m的开采，称为“深部开采”，地应力随开采的延深而逐步增大，当增大到某一值时，岩爆的发生频率明显增加，高应力诱发的岩爆及围岩变形破坏巷道，严重威胁人员与设备的安全，要投入大量精力进行预防治理。

目前马城铁矿处于基建期，在-900 m及-930 m水平巷道开拓工程中，数次出现岩爆及巷道围岩变形问题，为减少高地应力对后期马城开采的影响，特对采区矿房的布置形式进行研究。

1 采区矿房四种典型的布置方式

将充填采矿法矿房按一定方式排列组成的地下采矿空间的支撑体系称为矿房的构造，地下矿开采过程是矿岩体内部应力重新分布的过程，不同的开采顺序及矿房布置形式将会影响矿岩体内部位移场、应力场的分布，影响矿房构造的整体安全稳定，选取合适开采顺序及矿房布置形式是采场稳定和高效安全开采的关键。

马城铁矿采用阶段空场嗣后充填采矿法开采，采矿阶段高度60 m，沿矿体走向划分盘区，盘区长度108 m，盘区之间留18 m矿柱，每个盘区沿矿体走向划分为2个矿房，每个矿房长度为43 m，中间保留4 m间柱，矿房的尺寸长×宽×高=43 m×18 m×60 m。

结合马城铁矿矿房尺寸及两阶段上行开采方法，并参考国内诸多矿山中段的布置方式的研究，对采用四种常见的采区矿房布置形式进行开采，所造成的采场矿岩位移、应力、塑性区及矿岩能量释放率进行数值模拟，研究地压的时空演化规律，选取较优的开采顺序及采区矿房布置方式，控制与调整地压活动，保证矿山安全生产。四种布置形式：正三角布置，倒三角布置，一翼正三角布置，一翼倒三角布置，见图1所示。

中央正三角布置 中央倒三角布置

一翼正三角布置 一翼倒三角布置图1 矿房不同布置方式

2 四种采场布置方式下围岩稳定性分析

有限元方法是上世纪80年代发展的数值分析方法，其中ANSYS、ABQUES、FLAC3D在岩土工程中的应用日趋广泛。目前，FLAC3D 是岩土界的首选软件，FLAC3D程序中自带了多种本构模型，考虑马城铁矿以浅部与深部硬岩为主，拟采用两种本构模型：摩尔-库伦本构模型与岩体劣化本构模型，这两种模型分别模拟不同深度的岩体，建立大型的典型二维精细模型，如图2所示。

图2 二维计算模型

浅部围岩采用摩尔库仑本构模型时，其力学参数采用初始值，深部围岩采用RDM本构模型时，其力学参数采用初始值和残余值，不同区域岩体的力学参数参见表1所示。

表1 模型计算参数

通过模拟计算获得了不同开采方案下，围岩的应力、变形与塑性区量值，具体见表2与图3。

表2 不同开采方案计算结果统计表

位移 最大主应力

塑性区体积 能量释放率图3 各项指标统计柱状图

3 四种矿房布置方式优化分析

3.1 基于矿岩体位移场的优化分析

对四种方案矿岩体位移场进行模拟发现：四种方案计算的变形值基本接近，其矿岩的最大变形值在1.41～1.59 cm之间，根据对比发现，硬质围岩变形对于不同开采方案的敏感度较低，其中中间倒三角和一翼倒三角的开采方案最优，具体不同方案矿岩体位移场见图4所示。

正三角开采 倒三角开采

一翼正三角开采 一翼倒三角开采

3.2 基于矿岩体应力场的优化分析

对四种方案矿岩体应力场进行模拟发现：中间倒三角布置方式采场周边矿岩体的压应力最小，但是压应力集中区在采区的上方，这对上行开采较为不利；而中间正三角布置方式的压应力集中区虽然量值较大，但是其位置在采区下部，这对抑制上行开采中的岩爆问题极为有利，因此采用中间正三角形开采较为合理。具体四种方案矿岩体应力场见图5所示。

中央正三角开采最大主应力 中间倒三角开采最大主应力

一翼正三角开采最大主应力 一翼倒三角开采最大主应力图5 不同方案矿岩体最大主应力云图

3.3 基于矿岩体塑性区的优化分析

塑性区是岩体力学状态的综合评价指标，对四种方案矿岩体塑性区进行模拟发现：不同开采方案对于矿岩体塑性区范围与深度的影响也较为明显，其中一翼倒三角和中间倒三角的塑性区体积相对较小，但是分析不同开采方式的塑性区可以发现，中央正三角的塑性区主要集中在采区的底部，其矿体上部塑性区范围较小，并且由于马城铁矿采用上行充填法开采，有了充填体的保护作用，采区底部岩体失稳破坏对于上行开采影响极小，因此采用中央正三角形的开采方案更适用于马城铁矿。具体四种方案矿岩体塑性区见图6所示。

中央正三角开采 中间倒三角开采

一翼正三角开采 一翼倒三角开采

3.4 基于矿岩体能量释放率的优化分析

能量释放率是描述岩体卸荷过程中能量释放的相对值，其能量释放率越小，说明围岩卸荷的强度越低，围岩扰动越小。通过四种方案矿岩体能量释放率模拟分析发现：中间正三角的采区布置方式其能量释放率最小，其次能量释放的集中区域在采区的底部，随着上行开采的进行，底部岩体能量的释放对于开采工作影响越来越小。大幅降低了马城铁矿开采期间地压释放带来灾害风险，因此从安全开采的角度考虑，中间正三角开采方式最为合理。具体四种方案矿岩能量释放率见图7所示。

中央正三角开采 中间倒三角开采

一翼正三角开采 一翼倒三角开采图7 不同方案矿岩体能量释放率

4 结语

综合分析四种开采方案的变形、应力、塑性区以及能量释放率各评价指标，同时马城铁矿采用上行开采方式，正三角布置形式可以最大程度减小顶板应力集中现象，减小围岩能量释放率，避免高应力地压灾害的发生，因此推荐马城铁矿采用正三角方式布置矿房，同时在回采的过程中加强对各种巷道、采场顶板、上盘围岩等的监测，出现不稳定现象，及时进行支护，提高采场的稳定性。