复杂地质条件下矿体开采顺序的数值分析.pdf

Series No. 433 July2012 金属矿山 METAL MINE 总 第433 期 2012年第 7 期 *国家自然科学基金项目 编号 51104063。 杨继胜 1980 ， 男， 硕士， 工程师， 411201 湖南省湘潭市。 复杂地质条件下矿体开采顺序的数值分析* 杨继胜 1 余伟健 2 1. 金诚信矿业管理股份有限公司; 2. 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 摘要针对复杂地质条件下的矿体开采工作， 根据某矿山实际特点， 采用数值模拟技术分别分析了不同中 段 垂直方向 和同一中段 水平方向 矿体的回采顺序 共 5 个方案 ， 并综合比较了应力场分布、 围岩移动规律和 孔隙水压力聚集等指标， 得到了最优回采方案。结果表明， 对于该矿Ⅱ3 矿体， 不同中段的回采顺序宜采取从上往 下方式， 而同一中段回采时， 应采用中央向两端的顺序。 关键词复杂地质条件矿体回采顺序数值分析 Numerical Analysis on Mining Sequence under Complex Geological Conditions Yang Jisheng1Yu Weijian2 1. JCHX Mining Management Co. ，Ltd. ; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines AbstractAiming at ore extraction under complex geological conditions，considering the character of a illustrated mine，mining sequences of different levels vertically and horizontally 5 solutions in totalwere analyzed by adopting nu- merical simulation. The best extraction solution by comparing indicators of ground stress distribution，moving rules of sur- rounding rocks and water pressure aggregation at void spaces were gained. The result shows that for the II3 ore body of the mine，a top- down mining sequence shall be adopted for mining levels，and the ore extraction in a level shall start from the centre and expand toward two ends. KeywordsComplex geological conditions， Ore body， Mining sequence， Numerical simulation 随着资源需要量加大， 许多赋存于复杂地质条 件下的矿体也加大了开发力度， 但是， 越来越多的采 矿实践表明， 由于开采方法或回采顺序不够合理， 导 致采场、 巷道， 甚至地面的大变形， 严重破坏了当地 环境， 给人民的生命财产与安全造成了巨大损失和 隐患。因此， 在复杂地质条件下， 认真分析资料， 尽 量寻找合理的开采方案， 最大限度地避免大变形是 非常必要也是很有意义的。目前， 采用数值模拟技 术分析采场的回采工作和顺序是非常成熟的， 一般 借助于有限元和有限差分的模拟方法较多［1- 5 ］。本 研究结合矿山实际， 采用 FLAC3D对不同中段和不同 方向进行矿体回采顺序的数值分析和优化工作。 1计算区域地质条件 以某矿Ⅱ3 矿体为研究对象， 该矿体总体走向 近东西向， 走向控制长 1 534. 80 m， 倾向北， 平均倾 向斜长 340 m。矿体形态总体为不规则似层状， 沿 走向、 倾向皆有膨大与收缩现场， 在横剖面上 10 ～5 线矿体受主岩体接触带控制， 呈较规则至不规则似 层状; 7 ～35 线呈“入” 字型 分为北枝和南枝 ， 南 枝上部－200 m 以上 受主岩体接触带， 局部受主 岩枝接触带下盘及层间破碎带控制， 形态复杂， 多呈 蛇形弯曲。 2数值模型及计算方案设计 2. 1数值模型及力学参数 根据相关资料， 本次分析的为一期开采 － 65 ～ －315 m 的标高范围， 每个中段高度为40 m。因此， 研究范围内主要包括 －65 ～ －315 m 水平中的 7 个 中段开采。根据 13 勘探线剖面图， 本次模拟采用 FLAC3D进行。为了采空区现状及计算研究的需要， 并尽量提高计算的精确度， 所建立的计算模型如图 1 所示。模型的边界条件为 下边界位移为零; 左、 右、 前、 后边界为水平构造应力; 上边界为自由边界。 在本次分析中， 为了提高安全系数， 侧压系数定为 1。围岩和充填体采用摩尔 － 库仑 Mohr － Cou- lomb 屈服准则。矿体和主要岩层的力学参数列于 31 表 1 中， 根据有关资料获得的充填体力学参数如表 2 所示。根据该矿区的水文地质和充填体特性， 确 定的渗透参数如表 3 所示。 图 1数值分析模型 表 1数值计算参数 地层 名称 密度 / g/cm3 单轴抗 压强度 /MPa 单轴抗 拉强度 /MPa 黏聚力 /MPa 内摩 擦角 / 弹性 模量 /GPa 泊松比 第四系2. 1351. 00. 12352021 灰岩2. 6256. 115. 0688026 砂砾岩2. 75104. 510. 0757927. 5 大理岩2. 7516. 520. 0509027 千枚岩2. 751110. 05. 5788027. 5 斜长花 岗斑岩 2. 71320. 015. 56010027 铜硫矿石3. 91815. 013. 5659039 表 2尾砂物理力学参数 密度 / g/cm3 抗压 强度 /MPa 抗拉 强度 /MPa 黏聚力 /MPa 内摩 擦角 / 弹性 模量 /GPa 泊松比 1. 8550. 220. 28480. 250. 25 表 3渗透计算参数 充填体类型 实际渗透系数 / m/d 计算渗透系数 /10 －9 m2/ Pas 孔隙比 围岩203. 47235. 4980. 25 尾砂充填体1 6001 851. 8510. 40 2. 2计算方案设计 根据资料， 为了优化采矿方案， 现针对 － 65 ～ －315 m标高范围进行计算方案设计。本次主要分 为不同中段的回采顺序和同一中段的回采顺序这 2 方面来进行分析。 1 不同中段 垂直方向 的回采顺序 方案一， 从上往下开采; 方案二， 从下往上开采。 2 同一中段 水平方向 的回采顺序 方案三， 中央向两端; 方案四， 两端向中央; 方案五， 从一端往 另一端。 综上所述， 共分 5 个方案进行计算。 3不同中段 垂直方面 回采顺序的数值计 算结果分析 3. 1方案一 从上往下开采 开采范围为 －65 ～ －315 m， 中段高度为 40 m。 因此， 该计算方案具体为 第 1 步， 开采 － 65 m 中 段; 第 2 步， 充填 － 65 m 中段， 同时开采 －105 m中 段; 第3 步， 充填 －105 m 中段， 同时开采 －145 m 中 段; 第4 步， 充填 －145 m 中段， 同时开采 －185 m 中 段; 第 5 步， 充填 －185 m 中段， 同时开采 －225 m中 段; 第5 步， 充填 －225 m 中段， 同时开采 －265 m 中 段; 第7 步， 充填 －265 m 中段， 同时开采 －305 m 中 段; 第 8 步， 充填 －305 m 中段。 依照以上开采过程进行了一定步数的迭代， 具 体结果见图 2。 图 2方案一 从上往下开采 的计算结果 根据应力计算结果 图 2 a 可知， 随着矿体 从上往下开采完并使整个采区被充填后， 应力得到 了比较充分的释放， 而且释放区域形状接近于矿体。 但随着上覆岩层的不断压实， 整个充填区域内的应 力都处于较高应力水平 5 MPa 左右 ， 但采场总体 呈稳定状态。另外， 从位移等值图 2 b 可以看出， 整个采场的位移较小， 只是在一小部分出现了较大 的拉应变， 特别是采场的顶板达到了 41. 87 mm， 但 该值并不影响整个采场的稳定性。从孔隙水压力结 41 总第 433 期金属矿山2012 年第 7 期 果图 2 c 可以看出， 随着采矿的不断进行， 地下水 不断涌向采区， 使充填后的采区孔隙压力不断增大。 3. 2方案二 从下往上开采 该开采方案正好与方案二相反。具体如下 第 一步 开采 － 305 m 中段; 第 2 步， 充填 － 305 m 中 段， 同时开采 －265 m 中段; 第3 步， 充填 －265 m 中 段， 同时开采 －225 m 中段; 第4 步， 充填 －225 m 中 段， 同时开采 －185 m 中段; 第 5 步， 充填 －185 m中 段， 同时开采 －145 m 中段; 第6 步， 充填 －145 m 中 段， 同时开采 －105 m 中段; 第7 步， 充填 －105 m 中 段， 同时开采 － 65 m 中段; 第 8 步， 充填 － 65 m 中 段。 同样， 依照以上开采过程进行了一定步数的迭 代， 具体结果见图 3。 图 3方案二 从下往上开采 的计算结果 根据应力计算结果 图 3 a 可知， 随着矿体 从下往上开采完后， 整个采区被充填后， 应力释放得 并不多， 因此， 产生较明显的应力集中现象， 使采场 处于较高应力水平并处于稳定状态， 但对于下一段 矿体的开采是非常不利的。而且随着上覆岩层的不 断压实， 整个充填区域内的应力还是在不断增加。 从图 3 b 可以看出， 整个采场位移比方案一要大， 采场的顶板位移可达到 98. 83 mm， 而且拉应变区域 范围明显较大。 另外， 从图 3 c 可以看出， 随着采矿的不断进 行， 地下水也在不断涌向采场， 使充填后的采场孔隙 压力不断增大， 而且在 － 145 m 中段的压力最大。 这说明， 矿体从下往上开采， 水对上中段开采影响较 大。 3. 3方案一和方案二对比分析及结论 为了分析以上 2 种不同采矿方案引起的岩层移 动规律， 优化采矿顺序， 现从最大主应力、 最大垂直 位移、 最大孔隙水压力和安全系数这 4 个方面进行 分析。 从图 4 可知， 方案一采场顶板的最大主应力、 最 大垂直位移和最大孔隙水压力都较小， 对安全高效 开采有利; 而方案二的中段采场顶板最大拉应力为 9. 99 MPa， 超过了充填体的最大抗拉强度， 而且顶板 最大垂直位移也较大， 易发生冒落。另外， 方案一孔 隙水压力也较方案二小， 对安全开采非常有利， 特别 是对下一阶段矿体的开采并不构成较大威胁。从这 2 个方案的安全系数来看， 方案一在前期开采时较 方案二小， 但随着整个矿体开采完后， 方案一的安全 系数较高。因此， 综合考虑这些因素， 中段回采顺序 宜采取从上往下方式。 4同一中段 水平方向 回采顺序的数值分 析结果 本次分析以 － 145 m 中段为对象， 沿不开采方 向进行计算， 每次开采为 50 m， 总分 4 次开采。共 分为 3 个方案如下 方案三， 中央向两端; 方案四， 两 端向中央; 方案五， 从一端往另一端。 4. 1方案三 中央向两端 采用方案三进行 4 次开采与充填后所得到的结 果如图 5 a 所示。可知， 整个应力分布较为均匀， 随着矿体的不断开采， 采场周围岩体的压力得到了 一定释放， 但在开采区域之内出现了一定的应力集 中区， 最大垂直应力为 7. 96 MPa。从图 5 b 来看， 最大位移都发生在中段两侧的采场之内， 最大垂直 位移为 26. 12 mm。图 5 c 显示， 当整个中段矿体 开采完之后， 形成了以中央为深部的涌水漏斗， 但其 孔隙水压力维持在较低值， 而且没有形成应力集中 现象。 51 杨继胜等 复杂地质条件下矿体开采顺序的数值分析2012 年第 7 期 图 4不同中段 垂直方面 回采顺序的数值计算对比曲线 ◆方案一， 自上而下开采;■方案二， 自下而上开采 4. 2方案四 两端向中央 采用方案四进行 4 次开采与充填后所得到的结 果如图 6 a 所示。可知， 整个应力分布也较为均 匀， 而且随着矿体的不断开采， 采场周围岩体压力得 到较大范围的释放， 但在开采区域之内出现了较多 的应力集中区域， 而且最大垂直应力为 8. 26 MPa。 从图 6 b 来看， 最大位移都发生在中段两侧的采场 之内， 但最大垂直位移为 36. 9 mm。图 6 c 显示， 当整个中段矿体开采完之后，形成了以中央为深部 图 5方案三 中央向两端 的计算结果 的涌水漏斗， 其孔隙水压力维持在较低值， 而且也没 有形成应力集中现象。 综上所述， 该方案的应力和位移总体和方案三 相似， 只是各值较大。 4. 3方案五 从一端往另一端 采用方案五进行 4 次开采与充填后所得到的结 果如图 7 a 所示。可知， 整个应力分布也较为均 匀， 而且随着矿体的不断开采， 采场周围岩体压力得 到较大范围的释放， 但在开采区域中央位移出现了 较大的应力集中现象， 最大垂直应力为 8. 12 MPa， 采区中央出现较大的应力集中， 对于下个中段的开 采产生较大的影响。从图 7 b 来看， 最大位移并不 发生在中段两侧的采场之内， 而是发生在中段采场 的中间位置， 而且松动范围分布较广。计算结果表 明， 最大垂直位移为 30. 23 mm。另外， 图 7 c 显 示， 当整个中段矿体开采完之后， 形成了以中央为深 部的涌水漏斗， 但该漏斗较小， 而且采场中央的孔隙 水压力最大。 61 总第 433 期金属矿山2012 年第 7 期 图 6方案四 两端向中央 的计算结果 4. 4方案三至方案五对比分析及结论 为了分析以上 3 种不同采矿方案 方案三 中 央向两端; 方案四 两端向中央; 方案五 从一端往另 一端。 引起的岩层移动规律， 并优化采矿顺序， 现 从最大主应力、 最大垂直位移、 最大孔隙水压力和安 全系数这 4 个方面进行分析。 图 8 是 －145 m 中段选择不同回采顺序的数值 分析结果。可知， 若采取中央向两端的回采顺序 方案三 ， 大多数采场应力处于相对较低状态， 采 场顶板垂直位移也较小， 而且孔隙水压力分布均匀， 对矿体开采相对有利; 相反， 若采取从两端向中央的 回采 方案四 和一端往另一端 方案五 顺序， 则在 回采中央采场时， 因采场顶柱和上盘围岩处于高应 力状态， 较易产生冒落， 而且孔隙水压力有可能产生 聚集现象， 影响采场顶底板的安全。另外， 从各个方 案的安全系数计算也可以看出， 采用方案三进行采 矿时， 整个采场的安全稳定性能较好。因此， 在同一 中段内进行采矿时， 宜采取从中央向两端的回采顺 序。 图 7方案五 从一端往另一端 的计算结果 5结论 1 对于不同中段 垂直方向 的回采顺序， 综 合比较最大主应力、 最大垂直位移、 最大孔隙水压力 和安全系数， 由于方案一 从上往下开采 的采场顶 板最大主应力、 最大垂直位移和最大孔隙水压力都 均较小， 对安全高效开采有利， 同时该方案的孔隙水 压力也较小， 对下一阶段的开采威胁较小， 而且随着 整个矿体开采完后， 方案一的安全系数越来越高， 因 此， 中段回采顺序宜采取从上往下方式。 2 对于同一中段 水平方向 的回采顺序， 同 样综合比较最大主应力、 最大垂直位移、 最大孔隙水 压力和安全系数， 由于方案三 中央向两端的回采 顺序 大多数采场应力处于相对较低状态， 采场顶 板垂直位移也较小， 而且孔隙水压力分布均匀， 对矿 体开采相对有利， 整个采场的安全稳定性能较好， 而 其他 2 个方案因采场顶柱和上盘围岩处于高应力状 态， 较易产生冒落， 或者孔隙水压力有可能产生聚集 现象， 影响采场顶底板的安全， 因此， 在进行同一中 段回采时， 应采用中央向两端的回采顺序进行采矿。 71 杨继胜等 复杂地质条件下矿体开采顺序的数值分析2012 年第 7 期 图 8同一中段 水平方向 回采顺序的数值计算结果对比曲线 ◆方案三， 中央向两端;■方案四， 两端向中央;▲方案五， 从一端往另一端 参考文献 ［ 1］王宁 . 缓倾斜极薄矿脉采场结构参数和回采顺序优化研究 ［ J］ . 金属矿山， 1999 2 12- 16. ［ 2］刘晓明， 杨承祥， 罗周全 . 深井开采回采顺序数值模拟优化研 究［J］ . 南华大学学报 自然科学版， 2008， 22 4 15- 21. ［ 3］彭康， 李夕兵， 彭述权， 等 . 三山岛金矿中段盘区间合理回 采顺序动态模拟选择［J］ . 矿冶工程， 2010， 30 3 8- 11. ［ 4］Yu Weijian， Gao Qian， Zhai Shuhua， et al. 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