马城铁矿深部阶段空场嗣后充填开采结构参数与开采顺序优化

向 鹏 杨景华 赵继忠 马 旺

（1、北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 2、城市地下空间工程北京市重点实验室，北京100083 3、首钢滦南马城矿业有限公司，河北 唐山063501）

1 概述

随着浅部资源枯竭,铁矿开采逐渐向深部转移,深部矿体在高应力的情况下开采,采场面临着高地压问题,尤其是采用阶段空场嗣后充填法开采,在空场大面积暴露条件下,采空区上覆压力向矿柱及围岩转移,形成应力集中,其采场稳定性是深部开采需要解决的重要课题。合理的采场结构参数和开采顺序对采场的稳定性和矿石回收率起着至关重要的作用。对于采场结构参数和开采顺序,已有学者开展了相关研究[1-8]。马城铁矿矿体埋深超过1100m,赋存地质条件复杂,且主要采用阶段空场嗣后充填开采,因此深部采场面临的矿压安全问题突出,急需对其采场结构参数和开采顺序进行优化研究,防止大面积地压活动出现,保证矿山安全生产。

2 矿山概况

2.1 矿体特征

马城铁矿矿脉延升整体呈北北西向,层状产出,北西或南西倾向,倾角范围39-56°,总体走向长6km。矿体呈层状、似层状、大透镜体状产出,全区划分的15 个矿体中,规模最大的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号矿体,走向长:Ⅰ号1750m、Ⅱ号1210m、Ⅴ号2100m,平均厚度:Ⅰ号36.35m、Ⅱ号127.56m、Ⅴ号83.90m。

2.2 工程地质概况

马城矿体顶底板围岩为黑云变粒岩、角闪变粒岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、含石榴石黑云石英岩、含石榴石闪石岩、绿泥片岩、绢云石英片岩。由于区域混合岩化作用大多已形成混合岩、黑云(角闪)混合片麻岩、黑云(角闪)混合花岗岩类岩石,原岩大多呈残留体出现。围岩与矿体界线大体清楚,少部分呈渐变过渡。

2.3 采矿方法

初步设计确定开采范围为-240m～-900m, 并划分为2 个采区, 其中-240m～-540m 为上部采区,-540m～-900m 为下部采区,上、下采区同时开采,采矿阶段高度设计为60m。

开采顺序: 两阶段上向同时开采, 即上部采区首采-540m～-480m 阶段, 同时下部采区首采-900m～-840m 阶段,顺序均为自下而上进行开采。

采矿方法:阶段凿岩阶段空场嗣后充填法、分段凿岩阶段空场嗣后充填法和上向(点柱式)分层充填法,全尾砂充填。

3 结构参数与开采顺序优化

3.1 数值模拟方案

采场结构参数和回采顺序对采场稳定性有重要影响, 选取合适的采场结构参数和开采顺序是采场稳定和高效安全开采的关键。马城铁矿III 号矿体-900m 中段选用阶段空场嗣后充填采矿法,矿块垂直矿体走向布置,矿块阶段高度60m,一步采和二步采矿块尺寸不变,矿块长度43m,影响采场稳定性的主要因素为矿块宽度。根据类似矿井开采经验,矿块回采顺序多为“隔一采一”和“隔二采一”,结合Mathews 稳定图法分析结果矿块宽度分别取15m、18m、21m、24m,按着不同的矿块宽度和开采顺序,组合成8 种方案分析,见表1。阶段嗣后充填开采时,充填材料被注入矿房后,凝结成有一定强度的充填体需一段时间,其早期强度一般不高,此时采场顶板主要由矿柱支撑。因此通过分析不同宽度矿房分别采用“隔一采一”和“隔二采一”采完后不充填所引起围岩及矿柱的应力和位移变化, 系统评价矿房开采对采场稳定性的影响,

表1 开采组合方案

3.2 数值计算模型

采用FLAC3D 数值分析软件, 数值模型以X 轴为水平方向,Y 轴为矿体的走向,Z 轴为矿体的标高,以X、Y、Z 三轴边界均大于采场3～5 倍为原则,模型网格、矿块划分如图1 所示。

图1 计算模型及矿体划分

计算采用理想弹塑性模型, 岩体破坏准则为莫尔- 库仑屈服准则。模型边界条件为上表面自由边界,底部固定水平和垂直位移,两侧固定水平位移。模型的初始应力场按q=∑λgh 计算,水平应力根据侧压系数k 计算,侧压系数k 的计算公式如下:

式中,μ—泊松比。

3.3 岩体力学参数

根据该铁矿的工程地质特征,结合现场工程地质调查、室内岩石力学试验和岩体质量评价综合选取了岩体物理力学参数,如表2 所示:

表2 岩体物理力学性质表

3.4 模拟结果分析

计算结果如表3 所示,当矿房“隔一采一”开采时,随着采场跨度增加,矿柱中最大应力不断增大,顶底板位移也逐渐增大,顶底板中最大拉应力先增加后保持不变, 且最大拉应力分布范围随着跨度增大不断增加, 说明顶底板拉伸破坏范围随着跨度增加不断变大。当矿房隔二采一开采时,最大应力和矿房顶板最大竖直位移都是随着矿房宽度的增加而增大, 顶底板最大拉应力先增大达到岩体抗拉极限后保持不变。相比“隔一采一”,采用“隔二采一”相当于增加了矿柱的宽度,矿柱宽高比随之增大,矿柱内的应力集中现象减小, 稳定性增强。综上分析可知,15m 和18m 的矿柱宽度要优于21m、24m,但15m 矿房宽度尺寸小,对采场后期的稳定不利且影响开采效率, 因此采场合理的矿房宽度选为18m,围岩质量较差区域可优先采用“隔二采一”方式开采；当围岩质量较好时,可采用“隔一采一”顺序开采。

表3 不同方案产生的扰动值

4 深部开采采场稳定性分析

根据上述优化分析结果, 对深部采场稳定性进行模拟分析,采场结构采幅宽度为18.0m,长约43m,采用“隔一采一”的回采顺序。模拟结果如下:

由图2 可知一步骤矿房开采后,压应力在矿柱的两个外侧壁集中分布,尤其在4 个角隅处,压应力达到45.1MPa,矿柱顶部、底部压应力大,中部相对较小；一步骤矿房胶结体充填后,矿柱所受最大压应力明显降低。二步骤矿柱开采后,采场压应力向两侧围岩和充填柱转移,采场右上角和左下角围岩应力集中增大,最大压应力达到52.5MPa；二步骤矿柱尾砂充填后,采场最大主应力变为52.9MPa,变化不大。

图3 显示一步骤矿房开采后,在顶底板表层产生了一定的剪切和拉伸破坏,矿房充填后,顶底板破坏有所减小,矿柱基本不发生破坏；矿柱开采后,顶底板破坏范围进一步扩大,以浅表拉破坏为主,主要是由于失去矿柱的支撑,顶底板大面积悬空,在中部产生拉应力引起。矿柱充填完毕后,破坏范围有所减小。综上分析,在深部矿体开采时,采场顶板以局部拉伸破坏为主,整体稳定。

图2 最大主应力演化

图3 塑性区演化

5 结论

通过对马城铁矿深部开采采场结构参数和开采顺序模拟分析,得到以下结论:

5.1 随着采场跨度增大,矿柱最大应力和顶底板位移也逐渐增大,顶底板最大拉应力先增加后保持不变,明顶底板拉伸破坏范围随着跨度增加不断变大。

5.2 考虑开采效率综合选取采场的矿房宽度为18m,围岩质量较弱区域可优先采用“隔二采一”方式开采；当围岩质量较好时,可采用“隔一采一”顺序开采。