, 谭宝会, 刘洋, 任凤玉 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2019-03-20
基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0801600);国家自然科学基金重点资助项目(51534003)。
作者简介：曹建立(1980-), 男, 河南民权人, 东北大学讲师, 博士;
任凤玉(1956-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：基于诱导冒落法提出了多空区层状矿体的回采方案, 使用3DEC软件对诱导冒落机理及规律进行了研究.同时设计了4种不同退采顺序的拉底方案, 并对其冒落效果进行了模拟.结果表明, 矿柱尺寸越小、周边空区数量越多, 矿柱越容易因应力集中而产生裂纹, 当其裂纹与矿体层理面贯通时矿体便会冒落; 当把拉底工程布置在最易破坏的矿柱下方并以其为中心向四周不断扩大拉底面积时, 能够使矿体在最短时间内发生持续、稳定的冒落, 从而可实现多空区矿体的安全高效回采.
关键词：多空区矿体诱导冒落拉底方案空区群3DEC模拟
Induced Caving Mechanism of Multi-mined-out Areas Layered Orebody and Optimization of Undercut Schemes
CAO Jian-li
, TAN Bao-hui, LIU Yang, REN Feng-yu School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: CAO Jian-li, E-mail: caojianli@mail.neu.edu.cn.
Abstract: A technical scheme of mining multi-mined-out areas layered orebody based on induced caving method(ICM) was proposed, and 3DEC software was used to study the mechanism and law of induced caving. Four different withdrawal sequences were designed and simulated by the 3DEC software. The results showed that the larger the number of mined-out areas around the pillar and the smaller the size of the pillar, the more easily the cracks form in the pillar due to stress concentration. Once the crack connected with the bedding plane, the falling of the orebody begins. If the undercutting project is arranged at the bottom of the most vulnerable pillar and the undercutting area is continuously expanded from the pillar to the surrounding area, the continuous caving of orebody can occur in the shortest time. In this way, the safe and efficient mining of multi-mined-out orebody can be realized.
Key words: multi-mined-out orebodyinduced cavingundercut schememined-out area groups3DEC simulation
由于历史原因, 在我国矿业发展过程中不少地下矿山在浅层形成了大量的民采空区, 这些民采空区数量大、规模不一、分布零散, 破坏了矿体的完整性和稳定性, 且随时可能冒落, 严重影响了矿山生产.因此开展多空区矿体冒落机理及回采工艺研究对于提升多空区矿体采矿效率及安全性有重要意义.在机理研究方面, Wang等在考虑岩体流变特性的基础上, 利用新建立的黏弹性模型, 对采空区顶板岩层的蠕变破坏进行了分析, 并利用该分析方法, 对邢台石膏矿顶板岩层的破坏时间进行了估算, 所得结果与实测结果基本一致[1]; Sun等对弓长岭三矿区多采空区稳定性进行了分析评价, 并研究了采矿过程中采空区与非采空区地层之间的相互作用关系[2]; 郑磊等采用FLAC3D软件对金属矿多空区的崩落放顶过程进行了数值模拟分析, 模拟结果反映了采空区范围的地压活动规律及矿柱稳定性变化情况[3].在采矿工艺方面, 赵兴明采用RAMAC/GPR探地雷达和瑞雷波探测技术, 对复杂采空区进行了综合探测研究, 并以此为基础提出多空区下分段凿岩连续崩矿回采方案[4]; 李兴尚等针对民采多空区矿体, 提出了采用全尾砂上向分层充填开采技术回采残矿[5].
限于民采空区的复杂性, 常规的采矿方法很难真正实现多空区矿体的安全高效回采.诱导冒落法是近年来发展起来的一项新型改进的采矿方法, 在破碎矿体高效回采及采矿区安全高效处理方面取得了显著成效.本文针对大岭西山菱镁矿存在着大量民采空区, 提出了利用诱导冒落法回采多空区矿体的技术方案, 采用3DEC软件研究了多空区矿体的诱导冒落机理, 并模拟了4种不同拉底顺序的诱导冒落方案, 确定出了最优拉底方案.
1 多空区矿体诱导冒落采矿方案1.1 工程背景大岭西山菱镁矿遭受多年无序开采, 在+137 m水平以上分布有大量采空区, 采空区层叠交错(见图 1).传统采矿方法的回采安全问题难以解决, 需要从矿山多空区矿体的特点、矿岩结构及稳定性特征出发, 研究出适合该矿山的安全高效采矿方案.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 矿山采空区分布状态及现场照片Fig.1 Goaf distribution and site photos (a)—矿山3360勘探线采空区分布状态; (b)—出露采空区; (c)—塌陷采空区. |
1.2 多空区矿体诱导冒落回采方案诱导冒落采矿法是由东北大学任凤玉提出的一种新型改进的地下采矿方法, 该采矿方法具有产能大、成本低、结构简单、应用灵活等优点[6-7].目前该方法已经成功在国内多个矿山的矿石回采及采空区处理中得到应用.
经过现场调查及取样测试后得出大岭西山菱镁矿稳定性级别为中等稳定, 围岩稳定性级别为中等稳定至不稳定, 比较适合诱导冒落方案的开展.采用诱导冒落法开采多空区矿体时, 在首采分段通过有计划的中深孔爆破形成一个贯通的大规模采空区, 诱导顶板发生冒落(见图 2); 在首采分段下部通常至少布置1~2个采矿分层, 以确保冒落矿石能够被充分回收; 位于最底部的分段通常是采场内矿石最后的回收机会, 因此为减少矿石损失可以通过加密进路的方式来提升矿石的回采率.利用诱导冒落法回采多空区矿体, 不仅可以大幅度提升采矿率, 而且可有效避免空区群组失稳对采矿作业带来的危害, 提高了采矿作业安全性.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 多空区层状矿体诱导冒落方案示意图Fig.2 Schematic diagram of induced caving scheme for multi-mined-out layered orebody |
2 多空区矿体诱导冒落机理3DEC作为一款基于离散单元法的基本理论来描述离散介质力学行为的计算分析程序, 在模拟岩体的开裂失稳以及冒落等方面具有独到的优势, 目前已经被广泛应用于研究边坡失稳、顶板冒落、巷道失稳等工程问题[8-10].基于所研究问题的特性, 本文采用3DEC软件对多空区下诱导冒落机理展开研究.
2.1 模型的建立本次所建模型尺寸为长×高×宽=2 400 mm×1 100 mm×200 mm, 模型中共包含了17个分布在不同高度的采空区, 为便于建模, 空区形态均简化为矩形, 空区高度在5~10 mm之间, 长度在10~30 mm之间.模型从下至上共划分了9个岩层, 模型底部第1岩层设定为拉底水平.模型具有6个自由面, 对应的6个边界条件为:模型左右边界约束在X=0和X=2 400 mm, 限制X方向的速度; 前后边界约束在Y=0和Y=200 mm, 限制Y方向速度; 底部边界约束在Z=0为固定边界, 顶部边界在Z=1 100 mm施加均布荷载, 其值为0.145 MPa, 应力相似常数aσ=10, 模拟埋深为50 m, 模型达到应力平衡后进行开挖.由于空区埋深较浅, 本次数值模拟只考虑上覆岩层的垂直应力, 对水平构造应力不考虑.同时为了便于后续分析, 将模型中的空区按照上下重叠交错的位置关系, 以及空区群与模型中轴线的空间位置关系, 共划分出了4个空区群, 如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 数值计算模型及空区群组划分Fig.3 Numerical model and groups of the multi-mined-out areas |
2.2 力学模型和参数的选取数值模型中岩体的力学模型采用莫尔-库伦模型, 节理本构模型采用库仑-滑移模型, 数值模型包含了节理弹性刚度、摩擦特性、剪胀特性等功能, 符合岩体的基本特征.数值模型中岩体及节理的力学参数如表 1和表 2所示.
表 1(Table 1)
 表 1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass
| 表 1 岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock mass |
表 2(Table 2)
表 2 节理力学参数Table 2 Mechanical parameters of joints
| 表 2 节理力学参数 Table 2 Mechanical parameters of joints |
2.3 多空区矿体冒落机理分析采场应力平衡后, 在最底部分层由中央向两侧进行退采拉底.矿块在拉底破坏扰动作用下应力重新调整, 由于矿体受水平层面及空区间矿柱强度的限制, 调整后的应力使得矿体沿层面破坏或者超过空区间矿柱的强度而发生空区失稳.矿体破坏后又形成新的应力平衡, 在不断的应力调整、矿体破坏、空区失稳的循环中, 最终达到应力平衡, 使整个采场中的岩体趋于稳定.图 4给出了模型拉底后空区间矿柱发生裂纹扩展的现象以及空区失稳后的矿体冒落现象.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 含空区群矿体裂纹扩展及矿体冒落Fig.4 Crack propagation in orebody with mined-out area groups and caving of the orebody (a)—裂纹扩展; (b)—矿体冒落. |
数值模拟研究证明空区群的存在严重影响了矿体的完整性和冒落规律.空区群弱面的存在使得矿体往往沿空区弱面发生冒落.为了更好地解释多空区矿体冒落过程的应力演化及矿柱破坏的先后顺序, 对矿体整个冒落过程产生的裂纹进行了编号, 见图 5, 图中红色线条代表裂纹, 数字代表裂纹产生的先后序号.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 多空区矿体冒落过程中裂纹的发展过程Fig.5 Crack development during caving of the multi-mined-out area orebody |
在采场拉底形成后, 裂纹发展及冒落过程如下:①在右1空区群弱面位置, 裂纹1和裂纹2开始萌生、扩展; ②在裂纹1和裂纹2扩展过程中, 拉底扰动产生的应力场在不断地调整, 重叠交错的左1空区群和右2空区群中的裂纹3、裂纹4、裂纹5、裂纹6开始萌生、扩展; ③随后左1空区群中的裂纹7和裂纹8在应力调整过程中也开始萌生; ④待裂纹1~8贯通后, 底部开始形成一个整体, 最后在底部第5层岩层层面张开, 从而产生了底部第2层到第5层矿体冒落; ⑤底部第2层到第5层矿体冒落后, 底部第6层的矿体受到瞬间卸荷作用, 矿体受到强烈的扰动作用, 在应力调整的过程中, 以及第7层岩体层面张开下, 最后第6层和第7层岩体开始冒落; ⑥在第6层岩体垮落后, 第7层岩体和第8层岩体受到强烈的瞬间卸荷作用, 在垮落后的两帮位置, 岩体产生应力集中, 内部开始萌生出新生裂纹9和裂纹10, 然后扩展贯通, 该岩层层面在岩层岩体的重力作用下张开, 最终垮落, 见图 4b.
数值模拟结果表明, 空区群的存在打破了无空区矿体的应力均匀分布的状态, 拉底后空区间的矿柱上产生了较大的应力集中, 矿柱尺寸越小、周围空区越多, 则应力集中程度越大, 在集中应力作用下矿柱很容易产生裂隙而破坏.根据产生裂隙的两空区相对位置不同, 裂隙产生机理分为剪切破坏和剪切-拉伸破坏, 如图 6所示, 当上下层空区边界位于(或接近)同一竖直平面内时, 矿柱受到剪切破坏产生裂隙; 当上下层空区部分重叠且边界拉开一定距离时, 矿柱受到拉伸-剪切破坏产生裂隙.当矿柱间产生的裂隙与矿体层面或破坏面贯通后, 矿体便发生垮塌冒落.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 空区间裂隙产生的力学机理Fig.6 Mechanical mechanism of crack initiation between the mined-out area groups |
3 多空区矿体诱导冒落拉底方案优选3.1 拉底方案设计由于在拉底过程中, 各空区群所受的应力状态各不一样, 空区间矿柱裂纹贯通的时间也不一样, 因此不同的拉底顺序将会导致不同的冒落时间和形态.此处设定了4种不同的拉底方案进行数值模拟计算, 最后, 通过比较冒落的先后顺序、冒落过程的平稳度来确定最优拉底方案, 原则上最先发生冒落且冒落过程平缓持续进行者为最优方案.4种拉底方案如图 7所示.其中, 方案1以左1空区群为中心向左拉底; 方案2以左1空区群为中心向两侧拉底; 方案3以右2空区群为中心向左拉底; 方案4以右2空区群为中心向两侧拉底.4个方案中均以每次扩展0.2 m进行拉底.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 四种不同退采顺序的拉底方案Fig.7 Four undercut schemes with different extraction sequences (a)—方案1; (b)—方案2; (c)—方案3; (d)—方案4. |
3.2 模拟结果及方案优选图 8给出了四种拉底方案分别在拉底长度为0.4 m和0.8 m时的数值模拟计算结果.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 四种拉底方案数值模拟结果Fig.8 Numerical simulation results of the four undercut schemes (a)—方案1; (b)—方案2; (c)—方案3; (d)—方案4. |
由图 8a可知, 当拉底长度为0.4 m时, 第2层开始冒落; 当拉底长度达到0.8 m时, 冒落高度达到第8层矿体.冒落范围涉及到左1空区群和左2空区群, 且随着冒落向上发展, 冒落范围有向右侧右1空区群发展的趋势.主要原因是因为左1空区群左侧为完整矿体, 未受空区破坏, 而右侧为多个空区群, 矿体强度降低较多, 拉底造成顶板能量聚集导致的矿体破坏通常会朝强度较低一侧发展.
由图 8b可知, 当拉底长度为0.4 m时, 第3层岩层冒落; 当拉底长度达到0.8 m时, 底部第2层矿体开始发生冒落, 同时带动其上大范围冒落, 冒落高度达到了第8层, 拉底空间左侧的冒落范围基本与拉底范围在同一竖直平面内, 而在右侧则超出拉底范围竖直面较多.主要原因是以左1空区群为中心同时向左右两侧拉底时, 拉底范围同时包含了左2空区群和右1空区群, 且右1空区群向右侧延伸较大, 由此造成冒落范围超出拉底范围较大.
由图 8c计算结果可知, 当拉底长度为0.4 m时岩层未发生冒落; 当拉底长度为0.8 m时, 突然发生较大规模冒落.主要原因是由于初始拉底位置上方是右2空区群的中心, 上部载荷被转移到空区两侧的矿柱上, 拉底空间上方属于卸压区, 此时施加在拉底空间上方完整岩层上的应力较低, 无法使岩层破坏; 当拉底长度超过0.8 m时, 拉底范围超过了空区两侧矿柱, 此时底部第2层岩层受到上部矿柱集中应力的作用而发生破坏, 一旦两个矿柱失稳, 则其上部和中间的空区均失稳破坏, 发生较大规模的瞬间冒落, 形成冒落危害.
由图 8d可知, 当拉底长度为0.4 m时, 未发生冒落, 此时拉底空间上部存在一个梯形矿柱, 该矿柱下部尺寸较大, 应力集中程度低, 因此即使矿柱完全位于拉底空间上方时仍未发生冒落; 当拉底长度达到0.8 m时, 虽然拉底空间上部岩体发生大面积破坏, 但依旧没有发生冒落, 可以推测, 若继续增大拉底面积, 则极有可能突然发生大规模冒落.
对比4个方案可知, 方案1和方案2冒落较早, 方案3次之, 方案4最难冒落.虽然方案1和方案2均能实现早冒落、持续冒落的目标, 但方案2所需的时间更短, 考虑到拉底作业应尽快撤出空区下方, 尽可能减小冒落冲击伤害的发生, 因此选择方案2作为最优方案.数值模拟实验表明, 对于多空区矿体而言, 应尽可能地将拉底工程布置在最易破坏的矿柱下方, 并以其为中心向四周不断扩大拉底面积, 从而实现上部多空区矿体的持续、平稳冒落.
4 大岭西山菱镁矿诱导冒落拉底方案根据数值模拟研究结果, 将大岭西山菱镁矿拉底初始位置设定在+120 m水平4号进路与2号联巷的交叉点, 如图 9所示.在此处拉切割槽, 向四周退采, 形成阶梯状退采形态, 彼此保持10 m左右的超前距离, 当各条进路退采接近1号和3号联巷时, 与联巷保持约5 m长度即停止回采, 以便于最边界处的16号进路运输畅通.此时, 拉底空间足以使首采区域上部采空区冒落, 由于多条进路与冒落空区联通, 即使有冒落气浪产生, 也会被多条进路分流, 从而降低了气浪冲击的可能性.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 大岭西山菱镁矿诱导冒落拉底方案Fig.9 Undercut scheme of induced caving for Daling Xishan Magnesite Mine |
5 结论1) 空区群的存在破坏了矿体的完整性和稳定性, 难以利用常规采矿方法实现多空区矿体的安全高效开采, 利用诱导冒落法回采多空区矿体时, 合理布置拉底位置和顺序可利用地压快捷地使多空区矿体发生自然冒落, 再通过底部结构回收矿石, 从而实现多空区矿体的安全高效回采.
2) 数值模拟实验结果表明, 对多空区层状矿体实施诱导冒落时, 拉底后空区之间的矿柱上容易产生较大的应力集中, 而且矿柱尺寸越小、周围空区越多, 则应力集中程度越大, 在集中应力作用下矿柱很容易产生破坏裂隙, 随着裂隙的产生, 应力也在不断调整, 直至裂隙与层状矿体的层理面贯通时, 矿体便会发生冒落.
3) 通过对4种不同退采顺序的拉底方案进行数值模拟研究, 结果表明对于多空区矿体实施诱导冒落时, 应尽可能地将拉底工程布置在最易破坏的矿柱下方, 并以其为中心向四周不断扩大拉底面积, 更有利于实现上部多空区矿体的持续、平稳冒落.
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