马郡城铁矿“三下”开采隔离层厚度及回采顺序研究

孟凡明 匡 鑫 王 祯 孙晓刚 袁 龙 邱景平

(1.罕王实业集团(抚顺)矿业有限公司,辽宁 抚顺 113000;2.抚顺市马郡城铁矿有限责任公司,辽宁 抚顺 113007;3.招金矿业股份有限公司,山东 招远 265400;4.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

随着矿产资源的不断开采,众多矿山企业面临着“三下”开采的难题[1-3]。充填采矿法既能满足“三下”开采的需求,又能兼顾矿山环境的保护[4-5],符合我国建设绿色矿山和环境保护的政策,因此得到了矿山企业的广泛应用。针对矿体埋藏较浅且地表有重要建构筑物或水体的情况,通常采用留设隔离层对地表进行保护,其厚度是影响安全高效回采的重要因素,同时矿块回采顺序的选择也直接影响地表沉陷范围,因此有必要对隔离层安全厚度和矿块回采顺序进行研究。理论方面,基于弹塑性力学、岩石力学等的发展,国内外学者先后提出了普氏拱法、荷载传递交汇线法、厚跨比法等理论方法,为估算隔离层厚度提供理论支撑[6-8]。赵增山等[9]以张家洼铁矿崩落转充填为研究背景,通过普氏拱理论和厚跨比法计算隔离层安全厚度范围,为采场稳定提供依据。随着模拟仿真技术的快速发展和有限元数学理论在采矿领域的应用,为分析复杂条件下矿体开采的稳定性提供了一种新的技术手段[10-11]。刘艳章等[12]基于π定理建立了隔离层厚跨比模型,结合程潮铁矿工程背景利用有限元软件验证了模型的合理性。李夕兵等[13]采用相似模型试验系统与数值模拟相结合的方式研究了滨海基岩矿体开采的矿岩稳定性。Chen等[14]基于理论模型和UDEC数值软件模拟综合研究滨海矿体开采产生的裂隙高度,通过现场安装探测仪验证其准确性。Li等[15]根据地质钻孔图并结合SURPAC构建三维数值模型,利用有限元软件模拟出隔离层安全系数、塑性区等结果,为隔离层的留设厚度提供依据。胡超等[16]采用相似材料试验和数值模拟相结合的方法研究了某铁矿不同回采顺序对采场稳定性的影响。

本研究以马郡城铁矿为工程背景,为确保矿区10线以东矿段地下开采活动不会对地表建筑等造成影响。运用厚跨比法、普氏拱理论等5种理论方法对隔离层厚度进行估算,并结合FLAC3D数值模拟对理论值的合理性进行验证,同时为达到减小开采活动对地表影响的目的,对矿块回采顺序进行优化,最终确定隔离层厚度和矿块回采顺序,为该矿段的安全开采提供参考依据。

1 工程背景

马郡城铁矿窑岗采区内共圈定9条矿体,均赋存较浅,地表不允许塌陷,第四系厚度为4.5～16.40m。矿体赋存于太古界鞍山群通什村组中,估算铁矿石资源储量达138.196万t,平均品位TFe 34.25%,矿体总体走向为北西向,南西倾向。矿区10线以东范围内有马郡河、地板厂等建筑物且采区外毗邻马郡村,该区域内以开采Fe1矿体为主。其中Fe1矿体走向为北西—南东,倾向 210°～229°,倾角 35°～75°;厚度1.03～31.49m,厚度变化系数为82.38%,平均厚度8.22m;矿石品位TFe 20.77～40.21%;品位变化系数12.67%,平均品位TFe 35.22%;矿体呈似层状,赋存标高为95～220m。为确保地表河流和建筑物的安全,现阶段该区域矿段采用浅孔留矿嗣后充填法对矿体进行开采,矿块沿走向布置时长40 m,垂直走向布置时为矿体厚度,矿块高度28～45 m,间柱宽度6 m,顶柱高度4 m,不留设底柱。

由于矿体赋存较浅,为确保地表河流和建筑物不受开采活动影响,需留设一定厚度的隔离层。若留设的隔离层厚度过大,矿产资源压占过多,若留设厚度不够,不仅地表河流及建筑物受开采活动影响,还会影响下部采场安全。因此,合理确定隔离层厚度,保障矿山安全开采、提高资源回收率意义重大。为了保证矿区10线以东矿段的安全高效生产,本研究通过理论计算、数值模拟等方法对隔离层厚度的确定进行分析。

2 理论计算与分析

对于矿区10线以东隔离层的留设,为了得到合理的厚度,采用厚跨比法、荷载传递线交汇法、普氏拱理论、结构力学法和K.B.鲁别涅依特理论[17-19]5种理论方法分别计算隔离层厚度。表1列出了5种方法的理论计算公式。

表1 理论计算方法汇总Table 1 Summary of theoretical calculation methods

表1中,H为隔离层厚度,m;W为采空区跨度,m;Ks为安全系数;β0为传递线与隔离层中心竖直线的夹角,(°);h为采空区高度,m;φ0为岩石内摩擦角,(°);f为岩石坚固性系数;σc为岩石单轴抗压强度,MPa;ρ为岩石密度,t/m3;b为隔离层单位计算宽度;σt为岩体抗拉强度,kPa;Kc为结构面削弱系数,取Kc=2～3;q为隔离层上覆岩层荷载,MPa;K0为结构面削弱系数,取K0=2～3;σnτ为弯曲条件下的岩石极限强度,MPa;K3为强度安全系数,取K3=7～10。

由于每种计算方法考虑的因素不同[20],厚跨比法和荷载传递线交汇法只考虑采空区跨度的影响;普氏拱理论考虑了采空区的跨度、采空区高度和岩石的抗压强度、内摩擦角,适用性广;结构力学法和K.B.鲁别涅依特理论则考虑了岩体强度、岩体特性以及隔离层上部荷载等因素,故使用一种方法的计算结果对隔离层厚度进行估算过于片面,因此需要对5种方法的计算值进行综合分析。图1为不同安全系数条件下由5种方法分别计算得到的隔离层厚度。

图1 不同安全系数与隔离层厚度间关系Fig.1 Relationship between different safety factors and isolation layer thickness

通过图1、表2的计算可知,由于5种理论方法考虑的影响因素不一样,计算出的隔离层厚度不同,其估算结果相差较大。根据类似矿山地下安全开采的经验,安全系数应在1.6～1.8以上[21],结合5种方法的理论计算值,窑岗采区10线以东矿段安全开采的隔离层厚度可考虑在16～36 m的范围内,由于隔离层厚度范围跨度大,需要结合数值模拟来确定+100 m中段矿体合理的开采上限。

表2 安全系数与隔离层厚度理论计算值Table 2 Theoretical calculation value of safety factor and isolation layer thickness

3 数值模拟分析

利用FLAC3D软件,建立窑岗采区10线以东矿段三维数值模型,通过模拟验证理论计算结果的合理性,同时确定+100 m中段在充填开采条件下,地表河流、建筑物的稳定性及第四系底部的围岩的变形性破坏特征。结合第四系底部不发生塑性破坏和地表沉陷规律满足相关规程综合判断安全开采的隔离层厚度。

3.1 模型建立

建立模型的主要区域为窑岗采区10线以东矿段,沿矿体走向从10线到12线,长300 m,高100m,模型宽40m。采矿方法为浅孔留矿嗣后充填法,矿块沿走向布置长40 m,间柱宽度6m,顶柱高度4m。此模型包括马郡河、第四系、围岩以及埋藏的矿体,位置关系如图2所示。

图2 三维模型Fig.2 Three-dimensional model

模型边界条件采用位移约束:模型的前后施加Y方向的位移约束;左右施加X方向的位移约束;模型的底面边界施加3个方向的位移约束,边界各方向的初始位移均为零。模拟采用摩尔—库伦本构模型,计算过程中对不同的分组赋予不同的材料参数值,具体见表3。

表3 材料物理力学参数Table 3 Materials physical and mechanical parameters

3.2 隔离层厚度模拟结果分析

由于矿体埋藏较浅,因此隔离层的厚度直接影响+100m中段矿块的开采高度。现阶段该矿段的矿块设计高度为35 m,对应隔离层厚度最小为24m。在此设计基础上进行数值模拟,分析第四系底部围岩的变形性破坏特征,塑性区分布如图3(a)所示,竖直位移分布如图4(a)所示。由图可知,当矿块高度为35m时最大沉降量为20.2 mm,且塑性区范围未达到第四系底部,即第四系底部的岩层未受开采活动的影响而发生破坏,同时也验证了初步设计中隔离层厚 度留设的合理性。

图3 塑性区分布图Fig.3 Plastic zone distribution diagram

图3(a)中塑性区的最高处与第四系底部还有一段距离,可以适当提高矿块的高度以减小压占的矿产资源量,因此分别对40 m和45 m矿块高度进行模拟,塑性区分布如图3(b)、图3(c)所示,当矿块高度为40 m时,塑性区接近第四系底部,而矿块高度为45 m时,塑性区的范围已经延伸到第四系中,即第四系底部岩层发生破坏,其中间柱以剪切破坏形式为主,而隔离层岩体破坏形式以拉伸破坏为主。竖直位移分布如图4所示,从位移云图中可以看出,矿块上部围岩的位移量均由两侧向中央逐渐增大。为充分了解不同矿块高度对地表建筑物和河流的影响,在模型顶端布置监测点对地表位移进行检测,地表监测点布置如图5所示。监测点从马郡河开始布置,共布置21个监测点,监测点间隔10 m。

图4 竖直位移云图Fig.4 Vertical displacement cloud map

图5 监测点布置Fig.5 Layout of monitoring points

监测点位移规律如图6所示,沿矿体走向方向,沉降量的最大值位于中间位置的监测点处,呈现出抛物线的形式,而水平变形量的最大值位于模型两侧的监测点处。不同开采高度下监测点最大沉降量分别为16.9、18.3、19.9mm,最大水平变形量分别为7.8、8.3、9.0 mm,都随着开采高度的增加而呈现增加的趋势,且沉降量的增幅也逐渐增大。由于矿块高度的增加,导致隔离层厚度降低,所以地表沉降量、水平变形量均呈增加的趋势,对第四系及地表的影响程度也越显著。因此结合上述竖直位移分布图、塑性区分布图以及地表监测点的位移规律,可以将矿块回采高度提高到40m,则对应的隔离层安全厚度最小为19m。

图6 不同矿块高度监测点位移规律Fig.6 Displacement law of monitoring points with different ore block heights

3.3 开采顺序结果分析

由于开采矿段位于矿区的边缘,且采矿证的最低标高为+95m,因此现阶段该区域矿段初步共设计开采3个矿块。在隔离层厚度模拟结果的基础上,分别对矿块进行从右至左(顺序1)和从左至右(顺序2)的开采顺序模拟,并利用地表监测点的位移监测数据进行分析对比,结果如图7所示,图7(a)中的每一步开采表示开采结束并充填完一个矿块。

图7 不同开采顺序下地表地表监测点位移规律Fig.7 Displacement law of surface monitoring points under different mining sequences

从图7(a)中可以看出2种矿块回采顺序下,地表最大沉降量都随着开采矿块数量的增加而增大,沉降量最大增幅值均出现在开采矿块数达到2个时;对比不同开采顺序所引起的地表最大沉降量时,可以得出顺序1的每一步开采最大沉降量均小于顺序2,且沉降量差值呈现增大的趋势。从图7(b)中可以看出,在靠近河流一侧的监测点处,顺序1的水平变形量略大于顺序2,而远离河流一侧与之相反,这主要是由于在开采过程中,监测点的水平变形量不断累积,使最先开采矿块上方的监测点水平变形量最大,但顺序1与顺序2的水平变形量相差不大,因此地表水平变形量受回采顺序的影响较小。结合监测点的位移规律,选择顺序1的矿块回采顺序对地表沉陷的影响更小,即地表河流及建筑物受地下开采活动的影响更小。

对于地表河流以及构建筑物的安全性评价,一般采用的指标包括:倾斜变形、曲率、水平变形。因此对矿块高度40 m、顺序1的地表监测点位移规律进行分析,结果如图8所示,得出对窑岗采区10线以东矿段进行开采充填后的地表最大倾斜i=-0.56 mm/m,最大水平变形ε=0.75 mm/m,最大曲率k=0.076×10-3/m,均符合《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)等规程允许的地表变形值。

图8 地表监测点变形值Fig.8 Deformation value of surface monitoring points

4 结 论

结合理论计算和数值模拟,综合确定了窑岗采区10线以东矿段安全开采的隔离层厚度,并对矿块回采顺序进行了优化,得出主要结论如下:

(1)采用厚跨比法、荷载传递线交汇法、普氏拱理论、结构力学法和K.B.鲁别涅依特理论5种方法分别计算隔离层厚度,得出安全开采的隔离层厚度可考虑在16～36 m的范围。

(2)通过对不同矿块回采高度的模拟,结合竖直位移分布图、塑性区分布图以及地表监测点的位移规律,得出隔离层安全厚度为19 m,矿块合理的回采高度上限为40 m。同时验证了理论计算隔离层厚度范围的合理性。

(3)对于不同矿块回采顺序的模拟,结合地表监测点的位移规律,从右至左的矿块回采顺序的地表沉陷值更小,即地表河流及建筑物受地下开采活动的影响更小。

(4)基于矿块高度40 m,从右至左的回采顺序模拟结果,得出地表最大倾斜i=-0.56 mm/m,最大水平变形ε=0.75 mm/m,最大曲率k=0.076×10-3/m,均符合《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)的地表允许变形值。