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近距离磷矿层水下开采采场稳定性分析
2016-11-03
为研究老虎洞磷矿近距离磷矿层水下开采时采场稳定性,采用弹性力学方法计算了 两矿层采场允许最大暴露面积,结合ANSYS有限元分析软件优化了上向水平分层充填法采场结构 参数,并对2种采矿方法多个采场同采进行了采场稳定性分析。结果表明:采用上向水平分层充填 法,采场垂直走向布置时,合理的矿房宽度应为6~8m;2种采矿方法达到设计同采采场数目时,采 场稳定性较好,设计的采场结构参数能够满足安全高效回采的要求。 关键词 51
Serial No. 570 October. 2016 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 570期 2016 年 10 月第 10 期 ∗ 近距离磷矿层水下开采采场稳定性分析 尤ꢀ 祎ꢀ 刘福春 长沙有色冶金设计研究院有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为研究老虎洞磷矿近距离磷矿层水下开采时采场稳定性,采用弹性力学方法计算了 两矿层采场允许最大暴露面积,结合 ANSYS 有限元分析软件优化了上向水平分层充填法采场结构 参数,并对 2 种采矿方法多个采场同采进行了采场稳定性分析。 结果表明:采用上向水平分层充填 法,采场垂直走向布置时,合理的矿房宽度应为 6 ~ 8 m;2 种采矿方法达到设计同采采场数目时,采 场稳定性较好,设计的采场结构参数能够满足安全高效回采的要求。 关键词ꢀ 近距离磷矿层ꢀ 缓倾斜中厚矿体ꢀ 水下开采ꢀ 采场稳定性 Stope Stability Analysis of Close Distance Phosphate Layers While Underwater Mining You Yiꢀ Liu Fuchun ( Changsha Engineering And Research Institute Ltd. of Nonferrous Metallurgy,Changsha) Abstractꢀ In order to study the stope stability of close distance layers which is underwater mining in Laohudong phosphate mine,the maximum exposed roof area of stope in two layers were calculated by elas- ticity method,structural parameters of the upward cut and fill mining method were optimized,and the sta- bility of two mining methods with multiple stopes were analyzed by the software ANSYS. The results show that,the reasonable width of the room should be 6 to 8 m when the stope layout is vertical direction by up- ward cut and fill mining method. The stope stability is good while meet to the number designed by two methods,and the stope structural parameters designed could satisfy the requirements of safe and efficient mining. Keywordsꢀ Close distance phosphate layers,Gentle dip and medium thickness ore body,Underwater mining,Stope stability ꢀ ꢀ 老虎洞磷矿为近距离缓倾斜中厚矿体,主要赋 夹层均以细晶白云岩为主,岩石具有硬、脆、碎的特 点,稳定性差;矿体底板为黏土质砂岩,稳固性较好。 矿岩硬度 f=3 ~ 5。 工程地质条件属中等复杂类型。 针对该矿顶板充水、水下开采、近距离同采、矿 岩稳固性差等复杂开采技术条件,同时综合考虑矿 石的品位、价值以及两矿层分采分运的需要,通过参 照类似矿山生产实践,对多种方案进行技术经济比 较,选用上向水平分层充填法和上向进路充填法进 行开采。 为保证安全高效开采,必须对采场稳定性 进行分析。 存标高为 0 ~ 800 m。 矿体共有 2 层,上层为 b 矿 层,倾角为 15. 2°,平均厚 9. 13 m,为钙镁质磷块岩 矿石,适宜于制造普通磷肥或磷酸;下层为 a 矿层, 倾角为 15. 2°,平均厚 16. 95 m,为硅钙质磷块岩矿, 适宜于制造高价值的黄磷。 a、b 矿层之间为夹层, 平均厚 3. 99 m。 开采时需考虑分采分运。 矿区处 于整个白云岩背斜倾伏端的地下水富集区,矿层底 板为非可溶岩相对隔水层,底板不充水;矿层顶板为 矿区主要含水层。 因此,矿床为顶板直接充水的岩 溶充水矿床,水文地质条件复杂,地表岩根河从南往 北流经矿区,为水体下开采矿床。 矿体顶板、矿体和 1 ꢀ 采场稳定性分析方法 [ 1-2] 、可靠度 采场稳定性分析方法可分为经验法 [ 3] [4-5] 理论分析法 、数学模型解析法 及数值模拟分 ꢀ ꢀ ∗国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0801600)。 析法。 经验法及可靠度理论分析过于主观,数学模 型解析法只能大致计算采场暴露面积,而目前对于 尤ꢀ 祎(1987—),男,工程师,硕士,410001 湖南省长沙市木莲 东路 299 号。 1 50 ꢀ ꢀ 尤ꢀ 祎ꢀ 刘福春:近距离磷矿层水下开采采场稳定性分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年 10 月第 10 期 采场稳定性的数值模拟仅限于单一矿层,对于复杂 的近距离两矿层同采则难以预判潜在危险。 为此, 采用弹性力学方法计算两矿层采场允许最大暴露面 积,结合 ANSYS 有限元分析软件优化上向水平分层 充填法采场结构参数,并对 2 种采矿方法多个采场 同采进行稳定性分析。 ìa′ < 2b 1 - 1 λx í a < . (3) 2 b 1 λz - 1 î ꢀ ꢀ 矿房顶板暴露面积为 2 ꢀ 采场顶板最大允许暴露面积计算 构建矿房力学模型(图 1),x 轴为垂直矿体走 S = aa′ , (4) (5) 代入式(3)可得: 2 向方向,y 轴为竖直方向,z 轴为走向方向,xz 平面为 矿房顶板。 根据该矿地表高程平均为 1 100 m,初期 最低开拓水平为 400 m,则采场埋深约 700 m。 参照 4 b S < . (λ1 1 - 1) x - 1)(λz [6] ꢀ ꢀ 根据本矿勘探报告,β = 70° ~ 85°,ϕja = 36. 6°, ϕjb =35. 1°。 《 中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究》 , 计算本矿垂直应力为 18. 97 MPa(0. 027 1H)。 根据 埋深最大、最小水平主应力与垂直应力之比分别为 对于上向水平分层充填法,采场垂直走向布置 时,设 b =8. 3 m,由 a<2b / (1 / λz ꢁ1),得 a<2b,取 a = 0 1 . 83、0. 5,由此计算最大、最小水平主应力分别为 5. 745,9. 485 MPa。 根据最大构造应力方向垂直 1 5 m,则当 β =70° ~ 85°,ϕjb =35. 1°时,σ2 / σ3 = 3. 94 ~ 9. 62,代入式(1)、式(2),可得 a′ = 20. 2 ~ 36. 2 于背斜走向,则该模型中最大水平主应力方向为垂 直矿体走向,最小水平主应力方向沿矿体走向,则侧 压系数 λx =0. 83,λz =0. 5。 2 m,S =302. 6 ~ 543. 7 m ;当 β =70° ~ 85°,ϕja = 36. 6° 时,σ2 / σ3 =4. 17 ~ 10. 15,代入式(1)、式(2),可得 2 a′=19. 4 ~ 35. 1 m,S =290. 6 ~ 526. 7 m 。 在现有技术条件下,很难确定矿房 x、z 方向的 侧压系数和空区顶板的节理发育情况,故为确保空 区稳定,一般保守估计,大概确定矿房法的暴露面 积。 由于该矿 b 矿层位于顶板下部,b 矿层采场上 向分层开采时会采掉局部顶板,而 a 矿层位于夹层 下部,且厚大,上向回采时尽量保护夹层,采场均在 矿体内,因此,上部 b 矿层采场顶板允许最大暴露面 图 1ꢀ 矿房力学模型 当 θ2 =π/ 2 时,矿房顶板围岩周边应力为 2 积宜取 302. 6 ~ 543. 7 m ,而下部 a 矿层采场顶板允 ìσ2 = (2 ab′ + 1)λx - 1ù p é 2 许最大暴露面积宜取 290. 6 ~ 526. 7 m 。 ë û í , (1) σ3 = (2 ab + 1)λz - 1ù p é 3ꢀ 矿体开采数值模拟分析 î ë û 由于初步计算的允许最大暴露面积值域较大, 故需结合设计所选采矿方法,对采场结构参数及采 场稳定性进一步分析。 ANSYS 能够模拟岩体从小 到大的变形破坏过程,是一种有效的数值计算手 式中,b 为采场高度,m;a′为采场长度,m;a 为采场 宽度,m;λx 、λz 分别为 x,z 方向侧压系数;p 为原岩 铅垂应力,kN。 [ 7] ,故采用该软件分 2 组方案对不同开采条件下 段 假设矿房中央有岩石节理,而节理面的黏结力 Cj = 0,则节理面的抗剪强度只是摩擦阻力,按库仑 准则和式(1)可知: 采场围岩应力分布及岩层变形进行计算:①上向水 平分层法矿房宽度分别为 6,8,10,15 m 时采场稳定 性;②2 种采矿方法多个采场同时回采(达到盘区设 计开采采场数目)时采场稳定性。 σ2 tanβ σ3 tan(β - ϕj ) , = (2) 3 . 1ꢀ 矿岩物理力学参数 式中,β 为节理面与最大主平面夹角,(°);ϕj 为节 理面的内摩擦角,(°)。 矿岩物理力学参数根据本矿地质报告中的数据 取值,充填体的参数根据类似矿山实际资料取值,详 细模型参数取值见表 1。 由于 tanβ>tan(βꢁϕj )>0,则 σ2 >σ3 >0。 初步确 定矿房的长度和宽度,则考虑 σ2 >0,σ3 >0,得: 表 1ꢀ 模型参数取值 1 51 总第 570 期 现代矿业 2016 年 10 月第 10 期 弹性 模量 泊松比 强度 GPa 抗压 抗拉 强度 内摩 擦角 / (°) ꢀ ꢀ 施加位移边界条件,约束 4 个侧面 x、z 方向各 自由度,底面 x、y 及 z 方向各自由度;对应力边界条 件主要考虑地应力场作用,对模型 x 方向侧面施加 最大水平应力 15. 745 MPa,z 方向侧面施加最小水 平应力 9. 485 MPa,顶面施加垂直应力 18. 97 MPa。 块体密度 内聚力 / MPa 矿岩体 3 / (g/ cm ) / / MPa / MPa 上盘 b 矿层 夹层 2. 75 2. 77 2. 86 2. 82 2. 80 1. 95 17. 52 0. 26 28. 40 0. 30 21. 90 0. 32 29. 54 0. 32 30. 19 0. 21 56. 2 5. 0 3. 64 2. 20 1. 70 5. 96 4. 36 0. 85 4. 6 1. 5 4. 5 3. 7 4. 8 39. 8 35. 1 28. 8 36. 6 38. 7 2. 9 a 矿层 下盘 38. 7 36. 2 5. 71 3 . 3ꢀ 模拟结果分析 充填体 1. 64 0. 37 1. 08 19. 2 3. 3. 1ꢀ 初始地应力下采场分层顶板位移 加载初始地应力场后,未开采的采场所在分层 顶板处沉降曲线见图 3。 可知,采场所在分层顶板 沉降量为 56. 52 ~ 58. 46 mm。 3 . 2ꢀ 模型建立及边界条件设定 以矿体赋存条件和物理力学性质为基础,设计 中段高度为 50 m,盘区走向长 120 m,矿体真倾角为 3 . 3. 2ꢀ 上向水平分层充填法不同矿房宽度采场稳 2 1 0°,a、b 矿层及中间夹层厚度取平均值,分别为 6. 95,9. 13,4 m。 采用上向分层充填法时,矿房宽 定性 ꢀ ꢀ 上向水平分层充填法不同矿房宽度采场开采后 度分别取 6,8,10,15 m,分层高 4. 2 m。 采用上向进 路充填法时,进路宽 4 m,高 4. 2 m。 模型尺寸为 覆岩垂直走向方向竖直应力云图见图 4。 3 60 m×1 112 m×300 m(长×宽×高)。 模型中 x 轴为 垂直矿体走向方向,y 轴为竖直方向,z 轴为走向方 向,竖直方向自上而下分别为上盘围岩、b 矿层、夹 层、a 矿层、下盘围岩。 几何模型见图 2。 图 3ꢀ 地应力场下采场顶板竖直方向位移曲线 由图 4 可知,矿体开采后,采空区上方岩层重力 将向周围两侧新的支撑点转移,在采空区顶板附近 覆岩区域形成椭球形卸压区,随着采场宽度增大,开 采后采场顶底板在竖直方向卸压区范围更大,卸压 图 2ꢀ 采场几何模型 图 4ꢀ 不同矿房宽度采场采后顶板竖直应力云图(单位:MPa) 程度也更为显著,且距离采空区中心越近,采场顶板 覆岩应力卸荷越剧烈。 当矿房宽度达到 10,15 m 时,顶底板处均出现不同程度的拉应力,最大拉应力 分别为 1. 41,8. 82 MPa,且随着矿房宽度增大,拉应 力随之增大;而矿房宽度在 6,8 m 时采空区周边均 未出现拉应力。 1 52 ꢀ ꢀ 尤ꢀ 祎ꢀ 刘福春:近距离磷矿层水下开采采场稳定性分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年 10 月第 10 期 拾取关键点绘制路径,得到采场所在分层顶板 竖直 方 向 累 积 位 移 曲 线 见 图 5。 矿 房 宽 6, 8, 10,15 m 时,顶板累计位移值分别为 62. 85,66. 84, 73. 12,86. 50 mm。 结合图 3,扣除地应力场作用下 的初始位移,得开采引起的顶板最大沉降量分别为 4. 87,10. 0,16. 28,29. 66 mm。 图 5ꢀ 不同矿房宽度采场采后顶板竖直位移累积曲线 [ 8] ꢀ 的容许极限相对位移判据:对于埋深 500 m 的Ⅳ ~ 级围岩,7 m<B(跨度) ≤12 m 时,隧道初期支护 ꢀ 参照《铁路隧道监控量测技术规程》 所提出 说明采场稳定性较好。 3. 3. 3ꢀ 2 种采矿方法多采场同时回采采场稳定性 图 6 为上向水平分层充填法垂直走向布置、采 场宽 8 m、同时开采 4 个采场时竖直方向应力云图 及累积位移曲线。 可知,随着同时回采采场数目增 多,采场顶底板卸压区范围明显增大,卸压程度更为 显著,但采空区周边围岩均处于受压状态,未出现拉 应力。 此时顶板累计位移值为 68. 18 mm。 结合图 4,扣除地应力场作用下的初始位移,得开采引起的 顶板最大沉降量为 11. 34 mm,小于顶板允许极限沉 降量 29. 4 mm,说明盘区内采用上向水平分层充填 法,达到所设计的同时回采 4 个采场时,采场稳定性 较好。 Ⅴ 拱顶相对下沉极限量应为 0. 7% 。 经计算,采场顶 板允许极限沉降量为 29. 4 mm。 采用上向水平分层 充填法,当矿房宽度为 15 m 时,采后顶板最大沉降 量为 29. 66 mm,大于 29. 4 mm,则采场顶板存在破 坏可能。 当矿房宽度达到 10 m 时,顶板最大沉降量 达到 16. 28 mm,沉降量较大,且此时 a、b 矿层采场 顶板均已接近最大允许暴露面积,开采时顶板存在 失稳隐患。 当矿房宽度为 6,8 m 时,采场顶板沉降 量分别为 4. 87,10. 0 mm,均小于 29. 4 mm,此时 a、b 矿层采场顶板暴露面积均小于最大允许暴露面积, 图 6ꢀ 上向水平分层充填法 4 采场顶板竖直应力云图及位移曲线 ( 下转第 165 页) 53 1
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