盘区矿柱回收与充填体稳定性的数值模拟研究

林 敏 袁庆盟 王谦源

(1.安徽省庐江龙桥矿业有限公司,安徽 合肥 231555;2.青岛理工大学理学院,山东 青岛 266033)

盘区矿柱是缓倾斜厚大矿体开采留设的工程结构矿柱,同时也是重要的矿石资源。随着充填开采技术的普及和发展,回采盘区矿柱开始受到重视。一些矿山企业对盘区隔离矿柱的回收进行了具体实践,湖南某白钨矿[1]采用人工点柱替换原生矿柱的回采技术,回收了54万t矿山残矿资源。河南某小型地下金矿[2]采用掏采方式,利用高强度胶结充填体包裹“П型矿柱”,采用中深孔分段小规模爆破回采间柱矿柱,矿柱回采率达87%。过江等[3]对冬瓜山铜矿-730 m以下的采场矿柱进行了建模和求解,计算出矿壁宽度需大于3.5m,现场工程可取4m,能够保证矿壁稳定性;党建东等[4]进一步优化了冬瓜山铜矿矿柱回采方案,采用由中间厚大部位向两翼退采回收盘区矿柱的方法,每个隔离矿柱回采单元留置2m厚永久矿壁,矿柱回收率达到58%。天马山金矿[5]针对Ⅱ号矿体5#矿柱预留了2 m厚矿柱护壁,抗倾覆安全系数达1.5,采场和护壁整体上均处于稳定状态。

对盘区隔离矿柱及采场的稳定性分析,学者们多采用数值模拟方案进行研究。文献[6-10]结合矿山充填开采的具体情况,对隔离矿柱的回采顺序、结构参数、开采方案等进行了数值模拟研究。数值模拟方法能够有效描述和预测采场的力学响应特征,可以为盘区隔离矿柱安全高效开采提供技术支持。

就隔离矿柱回采方案的具体实践而言,核心问题是,矿柱回采过程中能否保证两侧充填体和顶板的稳定性,降低矿石损失和贫化,这决定于充填体与围岩的强度性质,盘区矿柱的设计参数、承压能力、回采方法等多方面因素。本研究主要针对安徽龙桥铁矿的充填开采实际,通过三维数值模拟,研究盘区矿柱回收的可行性方案。

1 工程背景和计算方案

1.1 工程背景

安徽龙桥铁矿年产量300万t/a,主要开采1号矿体。矿体厚2.73～43.27 m,平均16.22 m,倾角变化比较稳定,一般15°～20°,TFe平均品位43.69%,磁性铁(MFe)品位平均为36.52%。采用两步骤分段凿岩阶段空场嗣后充填法,沿矿体走向按100m划分为一个盘区。盘区宽为矿体的水平宽度,高为矿体竖直高度,盘区矿柱宽15 m。采场沿走向布置,长度85 m,宽度15 m,高度为矿体竖直高度,中段高度为50 m,凿岩分段高度12.5 m。

地质数据资料表明,若仅进行一二步回采,不对盘区间柱进行回收,-420 m以上损失矿量将达到336.7万t。除此之外,龙桥矿当前采用充填配比整体偏高,用灰量大,充填成本较高。如何解决降低成本和提高资源回收率的矛盾,能否找到一个折中方案是亟需解决的重点问题。

1.2 计算方案

考虑到盘区矿柱回收显然对二步骤矿房充填体的强度有着较高要求,设计2个盘区矿柱回收模拟计算分析方案:

方案一:盘区间柱全部回收。一步骤充填体28 d强度取1.5 MPa,二步骤充填28 d强度1.2 MPa。

方案二:盘区间柱回收2/3,留1/3做永久间柱,即15m的盘区间柱,回采10m,保留5m。考虑到矿柱宽度较小,两侧留设矿皮困难,也难以起到矿柱承载作用,采用单侧留设矿柱、单侧回采方式。该方案下,一步骤充填体28 d强度取1.5 MPa,二步骤充填28 d强度0.5 MPa。

2 计算模型与充填体模拟

2.1 计算模型与参数取值

取x、y、z轴分别为倾向、走向和高度方向,在模型倾向方向上建立7个矿房,倾角取15°,走向上取2个盘区长度,适当扩大模型作为边界,俯视图(xy平面)见图1。利用ABAQUS的自适应网格技术合理划分网格单元,再导入FLAC3D中进行计算,建立的计算模型见图2,模型宽度、长度和高度分别为205、315、300 m。网格划分方面,如图3所示,模型中部的盘区矿柱划分密集网格,采用八节点六面体单元网格,向外逐渐稀疏并采用四节点四面体单元,模型共1 572 602个单元,261 173个节点。固定模型底面和侧面的法向位移,模拟采深大约525 m,模型顶面施加8 MPa均布荷载,相当于约300 m高的上覆岩层压力。

图1 模型俯视图(单位:m)Fig.1 Top view of model

图2 计算模型Fig.2 Computational model

图3 内部网格划分Fig.3 Internal meshing of the model

采用莫尔库伦模型,结合室内试验测试数据,岩体及不同强度充填体的弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c、内摩擦角φ、密度ρ和抗拉强度σt等计算参数见表1。

2.2 充填体模拟

分析区域盘区矿柱两侧的充填体,根据矿块合理开采充填顺序形成:第一步同时回采充填一步骤矿房1、3、5、7,充填强度 1.5 MPa;第二步回采充填2、6号矿房,第三步回采充填4号矿房。其中,后两步充填体强度有2个方案:方案一取1.2 MPa,方案二取0.5 MPa。根据实际接顶情况,每步充填中考虑一个2.0 cm的不接顶间隙。分析区域外围充填体参照表1的一、二步充填体强度取均值。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physics and mechanics parameters of rock mass

由于本研究重点关注矿柱的不同回采方案对盘区稳定性的影响,因此首先进行了充填体全部形成的计算模拟,作为盘区矿柱回采的初始条件。以上三步形成充填体的计算分析表明:盘区矿柱回收前的稳定性较好,只有零散塑性区域,围岩变形不大,方案一和方案二最大下沉量位于盘区中部4号矿房区域,数值分别为1.5、2.0 cm,底鼓量均为0.5 cm。

3 全部回收矿柱模拟计算结果

3.1 变形情况

图4是盘区矿柱全部回收后位于盘区中部4号充填体剖面上的变形等值线图(xy平面),图4(a)显示空区上方累计产生了约3.0 cm的漏斗式整体下沉位移,累计底鼓量为1.5 cm,所以因矿柱回收而新产生的下沉量为1.5 cm、底鼓量为1.0 cm。侧向位移见图4(b),可以看到,两侧充填体被挤压至空区,最大位移达到20 cm以上,量测得到影响范围30 m。

图4 方案一盘区位移等值线图Fig.4 Contour of displacement of scheme 1

调取数据发现,回采矿柱前,矿柱及其周边充填体的横向位移仅有0.6 cm,可以忽略不计,因此可以认为矿柱全部回采将会造成空区向内30m深度的充填体产生变形,空区鼓起量达到32 cm。在实际工况中,可能表现为大面积的片帮、垮落,影响工程施工安全。

3.2 塑性区与应力分析

考察三步骤4号充填体的塑性区情况,见图5。盘区矿柱全部回收后,两侧充填体自下部向上部和深部延伸,形成近似V字形的破坏区域。

图5 方案一盘区塑性区分布Fig.5 Distribution of plastic zone of scheme 1

进一步分析发现:

(1)空区顶板和底板形成0.6 m深的拉破坏区域,可能表现为冒顶、底鼓。

(2)空区上下左右4个隅角均产生复合破坏,以剪切破坏为主,伴随着一些拉破坏,可能表现为局部严重破碎。

(3)两侧充填体自下部向上,破坏程度逐渐增大。

(4)测量数据可知,如果不考虑充填体顶部的破坏,两侧充填体破坏深度最大为30 m,平均为19 m。

图6(a)是方案一竖向应力情况,在空区及其邻近区域,形成了蝴蝶状的卸压区,区域内的充填体及围岩因在应力平衡过程中被破坏而无法继续承担荷载,因此应力会向远处传递,量测到对顶板的影响高度达到74 m。图6(b)是最小主应力等值线图,空区两侧出现对称的拉应力区,结合图5可知,在拉应力区内的充填体都受到较为严重的拉破坏。

图6 方案一盘区应力等值线图Fig.6 Contour of stress of scheme 1

4 部分回收矿柱模拟计算结果

4.1 变形分析

图7(a)是盘区矿柱部分回收后,在三步骤4号充填体剖面上的竖向位移云图。分析可知,矿柱部分回采引起的下沉量小于方案一,可见留设永久矿柱对顶底板位移起到很强的控制作用。图7(b)是三步骤4号充填体的侧向位移即鼓出量云图,可以看到,最大鼓出量仅为2.5 cm。

图7 方案二盘区位移等值线图Fig.7 Contour of displacement of scheme 2

同时可以看到,留设矿柱与相邻充填体的压缩量不同,充填体的变形量更大一些,而且很明显地观察到,空区一侧的充填体变形大于永久矿柱一侧的充填体。但由于留设矿柱对顶板下沉位移的限制,空区一侧充填体的变形不大,约1.2 cm左右,能够基本保证采场安全。

4.2 塑性区与应力分析

图8(a)是方案二永久矿柱的塑性区分布情况,图8(b)则是三步骤4号矿房剖面上的塑性区分布情况(xz平面)。

图8 方案二永久矿柱及盘区塑性区分布Fig.8 Distribution of plastic zone of scheme 2

(1)矿柱塑性区集中在外侧边缘,破坏类型为“tension-p”,即在应力重分布过程中受到拉应力而破坏,但再平衡之后拉应力不超过抗拉强度,这说明留设的矿柱基本能够保持稳定,仅在矿柱回采过程中有零星破坏。

(2)与盘区矿柱全部回收的情况(图5)完全不同,空区一侧充填体仅在下隅角有剪切破坏区域,但分布较为零散,未形成连续剪切破坏贯通区;空区一侧充填体上隅角也出现小范围剪切破坏,但范围不大,可见充填体整体能够保持稳定。

(3)在留设矿柱一侧的充填体上部靠近矿柱区域,由于充填体和矿柱下沉不同在接触区域产生摩擦和拖拽,引起充填体一定范围的零星拉伸破坏,这对矿柱的稳定性没有影响。

图9(a)是方案二永久矿柱在1～7号充填体剖面上的竖向应力等值线图,图9(b)是最小主应力等值线图,其中大于0的部分(图中红色区域)为拉应力区。

图9 方案二盘区应力等值线图Fig.9 Contour of stress of scheme 2

不考虑应力集中区域,分析发现:

(1)由于未采矿体的支撑作用,自下往上,矿柱所受压力逐步增大。靠近未采矿体的下部竖向应力小于50 MPa,中部为50～60 MPa,上部紧邻上部充填体处的压力达到60～70 MPa。

(2)拉应力在靠近上部充填体一侧的变化较大,但总体影响范围有限,且影响区内的拉应力大多小于矿柱抗拉强度,在矿柱外边缘和中部也出现拉应力区,但数值不大,小于1.5 MPa,因此矿柱不会大范围地因拉破坏而失稳。

(3)矿柱回采前,矿柱大部分区域的压力介于40～50 MPa之间,部分回采后,留设的永久矿柱所受压力有了一定程度的增加,特别是上部增加量较大,但从塑性区和拉应力分布看,矿柱整体是稳定的。

5 结 论

(1)全部回收矿柱方案虽然盘区二步骤矿房充填体强度较高,也无法避免充填体的大范围破坏,还可能产生较大范围的顶板垮落,回采矿柱的目标难以实现。

(2)部分回收矿柱,即单侧回采10 m矿柱,留设5 m永久矿柱方案,虽然二步骤矿房充填体强度较低,但回采矿柱一侧的充填体整体稳定性良好,不至于发生较大范围的垮塌现象。

(3)留设的5 m永久矿柱所受顶板压力自下而上有了不同程度的增加,特别是靠近上部边缘矿房处的压应力较高,但从塑性区和拉应力分析,矿柱能够保持整体稳定性。

(4)上述模拟计算分析也表明:龙桥矿15 m的盘区矿柱单侧回收10 m、保留5 m方案是可行的,矿柱和充填体均能保持稳定。经计算,矿柱回收率达到64.3%。