1、基于数值模拟的采场结构参数与充填强度匹配性研究黄旭利1,王筱添2,3,景岳2,3,廖九波2,3(1.湖南有色新田岭钨业有限公司,湖南 郴州市 4 2 3 0 0 0;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;3.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:针对新田岭钨矿区厚大矿体的赋存特征,利用F L A C 3 D数值模拟软件,分析了矿房宽度、矿柱宽度、底板充填体厚度、矿房充填体强度、底板充填体强度等对开采后围岩顶板沉降位移的影响。结果表明:一步骤回采矿房时,矿房宽度对顶板沉降变形的影响最大;二步骤回采矿柱时,矿房宽度及矿房充填体强度
2、对顶板沉降变形的影响较大;下部中段回采时,底板充填体强度、矿房宽度以及矿柱宽度对顶板沉降变形的影响较大。综合上述3个研究结果,矿房宽度对顶板沉降变形的影响最大,其次是充填体强度,顶板沉降变形与矿房宽度呈正相关关系,而与充填体强度呈负相关关系。关键词:数值模拟;采场结构参数;充填体强度;顶板沉降0 引言采场结构参数与充填强度是影响矿山安全高效开采的关键因素。胡建非等1提出了一种博弈论改进T O P S I S综合评价模型来确定最优采场结构参数,利用F L A C 3 D软件与建立的评价模型相互验证。孟凡明等2利用A N S Y S与F L A C 3 D耦合建模,分析了地表沉陷规律并优化了采场参
3、数。陈庆坤3运用C A D-D i m i n e-M i d a s G T S建立了三维矿体模型,运用F L A C 3 D数值软件对下向进路充填采矿法采场的位移、应力以及塑性区进行了分析。曹港等4利用F L A C 3 D软件与R h i n o建模软件对充填体强度、采场顶柱厚度、采场间柱厚度等进行了数值模拟研究,确定最优采场参数。郭进平等5利用F L A C 3 D对不同采场跨度的采场进行模拟计算,通过多指标赋权综合评价,从最大拉应力、位移量及矿石损失率3方面综合考虑资源开采的安全性及经济性,确定最优的采场结构参数。赵兴东等6以岩体质量分级为基础,利用R S 2数值模拟软件和M a t
4、 h e w s稳定性图表对采场稳定性进行分析,以三山岛金矿分段空场嗣后充填法采场为研究对象,对最易发生失稳破坏的上盘围岩进行了稳定性分析。贾通平7以缓倾斜厚大矿体的采矿方法选择和采场结构参数优化为目标,通过岩石力学试验、数值模拟、未知测度理论和M a t h e w理论等对马路坪矿的采场结构参数进行了研究,确定了矿房及矿柱尺寸。徐路路等8建立了5种采场结构模型,通过有限元软件A N S Y S进行数值模拟,综合考虑顶板、间柱和充填体柱的拉应力、压应力及位移变化,引入安全系数对各模拟方案进行对比分析。吴振坤等9建立了基于满意度的多指标综合采场评价模型,选取侧壁最大主应力、顶板最大主应力、侧壁最
5、大水平位移、顶板最大竖直位移及塑性区体积共5个指标进行多指标综合评价及敏感性分析。彭超等1 0通过数值模拟得到不同结构参数条件下采场一步回采与二步回采过程中盘区顶板沉降和采场内的位移,综合考虑相对生产能力、综合效率、设备匹配度、施工难度等因素,建立了采场参数的模糊综合评价模型。1 矿山概况新田岭矿区位于湖南省郴州市西南1 8公里,面积为4k m2。全矿保有钨资源储量8 2 0 6.4 8 1 04t,WO3平均品位0.3 4%,WO3化合物储量约2 81 04t,平均厚度大于1 5m的厚大矿体储量占整个矿山储量的3 6%。矿山新近探明3 0 4矿体位于3 5 5 4 2 0m标高,北至1 0线
6、,南至N 1线之间,矿体主要赋存在岩体接触带附近的矽卡岩中,受岩体接触带及围岩岩性控制。矿体在本矿区中相对较大,呈水平长柱状产出,I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3走向1 2 近S N,倾向NWW,倾角6 0 8 0,向北倾伏。埋深大于1 2 7m,矿体主要分布在3 0 04 7 0m之间。围岩多为燕山期花岗岩,顶部及中部有部分石碳纪灰岩。3 0 4矿体的矿石品位不高,平均WO3:0.
7、2 7 9%,M o:0.0 0 6%,B i:0.0 0 6%。矿体平均厚度5 0m左右,延续好、整体稳定。2 数值模拟方案2.1 正交试验本次数值模拟主要针对新田岭钨矿3 0 4矿体两步骤开采的采场,对采场的结构参数以及充填体强度的合理性进行数值模拟试验。设计不同的充填体强度以及采场结构参数组合,采用正交试验的方式来进行模拟试验,数值模拟试验的参数见表1。由表1可知,采用了矿房宽度、矿柱宽度、底板充填体厚度、矿房充填体强度、底板充填体强度5种参数。正交试验设计见表2。表1 数值模拟试验参数矿房宽度/m矿柱宽度/m底板充填体厚度/m矿房充填体强度/M P a底板充填体强度/M P a1 01
8、 05111 51 51 0332 02 01 5552 52 52 077表2 正交试验方案方案编号矿房宽度/m矿柱宽度/m底板充填体厚度/m矿房充填体强度/M P a底板充填体强度/M P a11 01 051121 01 51 03331 02 01 55541 02 52 07751 51 01 05761 51 557571 52 02 01381 52 51 53192 01 01 5731 02 01 55511 12 02 02 0371 22 01 51 0151 32 51 02 0351 42 51 51 5171 52 52 01 0711 62 52 5553 分别对
9、1 6组参数组合方案进行数值模拟研究,最终得出经济合理、安全稳定的采场结构参数与充填体强度的组合方案。2.2 矿岩力学参数根据新田岭钨矿3 0 4矿体的地质条件,矿房上部为灰岩,下部为花岗岩,中部为矿房与矿柱,模拟时开挖矿柱或矿房,反映充填体对顶底板的支护作用效果,矿岩的力学参数见表3,根据表3中的力学参数建立的数值模型如图1所示,绿色部分为围岩,蓝色部分为矿体(颜色区分见电子版)。表3 矿岩力学参数岩性密度/(k g/m3)抗拉强度/M P a抗压强度/M P a弹性模量/G P a泊松比黏聚力/M P a内摩擦角/()矿石3 3 6 6.8 57.2 32 1 4.3 5 2 5.8 70
10、.2 5 1 4.4 14 2.8 0花岗岩2 5 6 1.4 95.0 71 3 2.2 1 1 7.7 40.2 3 1 3.4 64 2.3 0灰岩2 7 1 4.9 05.6 01 1 7.9 9 1 5.7 00.3 1 2 1.1 92 3.2 7图1 数值模型3 数值模拟结果3.1 一步骤回采矿房地下开采使围岩失去原有的平衡状态,引起采空区顶板破坏,甚至冒落。顶板大面积冒落是引发地表塌陷、冲击地压灾害的主要因素,危及到矿山生产安全。各方案竖向位移云图如图2所示,限于篇幅仅列出部分方案模拟结果。如图2所示,矿房回采后,围岩向采空区侧发生变形。顶板产生沉降,底板产生底鼓,最大变形分别
11、位于采空区顶、底板中部。顶、底板变形中,顶板的沉降变形是评价采场稳定性的重要指标。根据正交数值模拟试验统计的数据,采用极差分析矿房宽度、矿柱宽度对采场稳定性的影响。顶041采矿技术2 0 2 3,2 3(3)板沉降位移见表4。(a)方案1:顶、底板竖向位移云图(b)方案4:顶、底板竖向位移云图(c)方案8:顶、底板竖向位移云图(d)方案1 2:顶、底板竖向位移云图图2 数值模拟位移云图(部分方案)表4 一步骤回采顶板沉降位移值影响因素沉降均值/mm均值1均值2均值3均值4极差R/mm矿房宽度5.2 17.3 89.5 31 1.2 66.0 5矿柱宽度9.2 68.5 07.9 97.6 31
12、.6 3 由表4可知,矿房宽度的极差大,说明矿房宽度对顶板沉降变形的影响大、较敏感,矿柱宽度的影响较小。表明一步骤回采矿房时,要重点考虑矿房宽度的影响。3.2 二步骤回采矿柱根据正交数值模拟试验统计的数据,采用极差分析矿房宽度、矿柱宽度、底板充填体厚度、矿房充填体强度和底板充填体强度各因素对采场稳定性的影响。顶板沉降位移见表5。表5 二步骤回采顶板沉降位移影响因素沉降均值/mm均值1均值2均值3均值4极差R/mm矿房宽度1 7.1 91 8.3 52 2.1 22 2.9 75.7 8矿柱宽度1 8.9 71 9.7 81 9.6 22 2.2 63.3 0底板充填体厚度1 9.7 92 0.
13、8 02 0.4 61 9.5 71.2 3矿房充填体强度2 4.0 31 9.4 21 8.7 11 8.4 75.5 6底板充填体强度2 0.5 51 9.1 52 0.9 61 9.9 81.8 1 由表5可知,矿房宽度的极差最大,说明矿房宽度对顶板沉降变形的影响最大、最敏感,同时,矿房充填体强度对顶板沉降位移的影响非常接近矿房宽度的影响,表明矿房充填体的强度对于二步骤回采矿柱的影响也很大。故二步骤回采矿柱时,要重点考虑矿房充填体强度的影响。3.3 下部中段回采根据正交数值模拟试验统计的数据,采用极差分析矿房宽度、矿柱宽度、底板充填体厚度、矿房充填体强度和底板充填体强度各因素对采场稳定性
14、的影响情况。顶板沉降位移见表6。表6 下部中段回采顶板沉降位移影响因素沉降均值/mm均值1均值2均值3均值4极差R/mm矿房宽度2 5.4 82 8.6 93 1.8 82 9.9 86.4 0矿柱宽度2 7.1 12 2.5 82 9.1 63 0.5 07.9 2底板充填体厚度3 0.7 02 9.2 92 7.2 42 8.8 03.4 6矿房充填体强度2 9.1 03 0.0 92 7.5 42 9.3 12.5 5底板充填体强度3 1.8 23 0.0 92 6.7 42 7.3 75.0 8 由表6可知,矿柱宽度的极差最大,说明矿柱宽度对下中段开采顶板沉降变形的影响最大、最敏感,同
15、时,上中段底板充填体强度以及矿房宽度对顶板沉降位移的影响非常接近矿柱宽度的影响,表明上中段底板充填体强度以及矿房宽度对于下部中段回采矿柱的影响也很大。故开采下部中段时,要重点考虑底板充填体强度、矿房宽度以及矿柱宽度的影响。141黄旭利,等:基于数值模拟的采场结构参数与充填强度匹配性研究3.4 综合分析综合上述3种分析结果,对顶板沉降变形影响最大的是矿房宽度,其次是充填体强度。这两种因素对顶板沉降变形的影响规律曲线如图3所示。根据图3(a)可知,矿房宽度与顶板沉降变形呈正相关关系,故为确保顶板的稳定性,即使矿房宽度超过2 0m的情况下,顶板沉降也不超过2c m,但是,矿房宽度也不宜选择过大。根据
16、图3(b)可知,充填体强度与顶板沉降变形呈负相关关系,故为确保顶板的稳定性,即使充填体仅保持自立情况下,顶板沉降也不超过3c m,但是,矿房充填体强度也不宜选择过小。(a)矿房宽度与顶板沉降变形关系(b)充填体强度与顶板沉降变形关系图3 顶板沉降变形与矿房宽度、充填体强度的关系4 结论利用F L A C 3 D数值模拟软件,分析了矿房宽度、矿柱宽度、底板充填体厚度、矿房充填体强度、底板充填体强度等因素对开采后采场顶板沉降位移的影响,得出如下结论。(1)一步骤回采矿房时,矿房宽度的极差最大,说明矿房宽度对顶板沉降变形的影响最大、最敏感,要重点考虑矿房宽度的影响。(2)二步骤回采矿柱时,矿房宽度的极差最大,说明矿房宽度对顶板沉降变形的影响最大、最敏感,同时,矿房充填体强度对顶板沉降位移的影响非常接近矿房宽度的影响,表明矿房充填体的强度对于二步骤回采矿柱的影响也很大,要重点考虑矿房充填体强度的影响。(3)下部中段回采时,矿柱宽度的极差最大,说明矿柱宽度对下中段开采顶板沉降变形的影响最大、最敏感,同时,上中段底板充填体强度以及矿房宽度对顶板沉降位移的影响非常接近矿柱宽度的影响,表明上中段底板充
