基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析

趙迎貴 游 勛 岳國均 王春仁 劉祥鑫

(1.馬鋼集團設(shè)計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009)

基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析

趙迎貴1游 勛1岳國均1王春仁1劉祥鑫2

(1.馬鋼集團設(shè)計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009)

針對某金礦空區(qū)群的遺留年代久遠、礦巖不穩(wěn)固、殘留資源復(fù)雜等特點，為實現(xiàn)其采空區(qū)內(nèi)局部高品位礦柱安全、高效、經(jīng)濟地回收，在經(jīng)過現(xiàn)場勘查、試驗、經(jīng)濟分析的基礎(chǔ)上結(jié)合生產(chǎn)能力、殘礦回收率、施工難度等因素對礦柱、圍巖內(nèi)殘礦資源進行回收方案設(shè)計。運用FLAC3D反演分析殘礦資源回收方案的整個殘采作業(yè)步驟，在殘采區(qū)域毗鄰礦柱、頂?shù)装寮俺涮钊斯さV柱內(nèi)布置多組模擬監(jiān)測點并經(jīng)過開挖模擬運算得出各監(jiān)測點殘采前后相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和塑性區(qū)指標值，對比分析以評價殘采擾動前后的采空區(qū)穩(wěn)定性，驗證殘采活動的安全可靠性。其評價分析方法和結(jié)論對該礦后續(xù)殘采案例及相似礦山具有一定的借鑒意義。

殘礦資源回收 數(shù)值模擬 采空區(qū)穩(wěn)定性

礦山隨著多年的開采，均會面臨保有儲量不足，深部資源回收存在技術(shù)、經(jīng)濟、安全等諸多困難[1]；為提高資源回收率、增加經(jīng)濟效益，大多需要對遺留的礦柱等殘礦資源進行回采。由于礦柱是反映和決定采場穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元，其結(jié)構(gòu)破壞必然會引發(fā)采場受力狀態(tài)的改變，甚至影響整個采空區(qū)群的穩(wěn)定性[2]。殘采前后采空區(qū)穩(wěn)定性的變化情況是決定礦柱回收可行性的關(guān)鍵所在。

礦柱回收造成采空區(qū)在礦房開采結(jié)束后形成的受力平衡被打破，再經(jīng)過巖體應(yīng)力不斷動態(tài)調(diào)整的復(fù)雜變化過程以尋求新的受力平衡。在原有平衡形成后圍巖不同程度受到損傷及破壞，其在新平衡形成過程中因受到應(yīng)力、應(yīng)變、位移變化造成再次破壞及損傷的程度是影響殘采采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素。對其整個過程中應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的變化進行數(shù)值模擬，能有效地解決其巖體力學行為問題，為殘采采空區(qū)穩(wěn)定性分析及礦柱安全回采提供一定的依據(jù)。FLAC3D軟件適用于解決巖土類材料及構(gòu)筑于巖土材料中的工程結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力-應(yīng)變作用等非線性動力學問題，也能很好地模擬巖體自重作用下的工程開挖靜力計算問題[3-5]。本研究通過數(shù)值模擬對某金礦獨立空區(qū)內(nèi)局部礦柱殘采前后采空區(qū)穩(wěn)定性進行分析對比，探求其圍巖和礦柱的應(yīng)力變化規(guī)律、位移變化情況、塑性區(qū)破壞特征以分析采空區(qū)穩(wěn)定性的變化情況，給礦柱回收的可行性提供依據(jù)。

1 工程概況

某金礦為韌性剪切帶型金礦床，礦體主要賦存于千糜巖及其頂?shù)撞康乃榱褞r帶內(nèi)。礦床的容礦巖性主要有：淺粒巖、黑云斜長變粒巖，其次是千糜巖與石英脈等。礦體為單層緩傾斜礦體，受F1、F2韌性剪切帶控制，傾角20°～30°，無上下空間關(guān)系的采場或空區(qū)存在。區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，節(jié)理較為發(fā)育，無暗河、溶洞等惡劣地質(zhì)構(gòu)造，工程地質(zhì)條件相對較好。直接千糜巖頂板多為碎屑結(jié)構(gòu)，完整性差，但厚度小，上部頂板為完整性好的變粒巖。殘采方案主要對XJ-6獨立空區(qū)內(nèi)3個礦柱進行回收。它們互為相鄰且規(guī)格相同，為3 m×3 m，礦柱間距8 m，礦層厚度2 m，平均品位超過120 g/t，金屬量大于10 800 g；按現(xiàn)有價格估算近350萬元，具有極高的回收價值。獨立空區(qū)周邊采空區(qū)賦存狀況相對簡單，但千糜巖的大量賦存造成采空區(qū)內(nèi)部分礦柱開裂、片幫，頂板片落、冒頂?shù)葷撛谖ｋU。

礦柱具有分布零散、礦量少、賦存情況復(fù)雜、回采安全性差等特點，因此，其回收方法常常不會過于單一，需要考慮多種方法結(jié)合進行回收[6]。常用的回收方法有常規(guī)采礦方法、人工礦柱替代法、充填法等。因早期在回收區(qū)域利用錨桿加固等措施對頂板進行過處理，為經(jīng)濟、高效、安全的回收礦柱，擬采用人工礦柱替代法于回采后暴露面的中心位置設(shè)置一個3 m×3 m的人工礦柱(灰砂比1∶4的人工混凝土柱)進行回收。

2 數(shù)值計算模型及模擬方案

2.1 建立模型

在地下巖土工程數(shù)模計算分析中，模型合理規(guī)格的選取至關(guān)重要，直接影響到計算誤差、繁雜程度及對計算設(shè)備的需求，開挖造成的影響范圍通常取開挖半徑的3～5倍[7]。模型以沿礦體走向為X軸，垂直走向為Y軸，鉛垂線方向為Z軸，規(guī)格90 m×100 m×55 m。模擬的核心在于掌握采空區(qū)的礦柱、頂?shù)装逶诓糠值V柱回收擾動前后因地應(yīng)力變化而造成的變形、破壞等狀態(tài)，所以應(yīng)對模型的不同部分選取不同網(wǎng)格劃分精度及方式以提高其模擬計算精度。對上盤、下盤及四周圍巖采取漸變式劃分，越接近重點分析部分網(wǎng)格越密，精度均為4；對礦房、礦柱、人工礦柱采取漸均勻式劃分，精度分別為2、1、1；模型共有單元數(shù)150 891個，節(jié)點數(shù)26 517個，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)值計算模型

圖2 數(shù)值計算模型剖面

地下巖土工程的開挖會擾動原巖應(yīng)力場而引起應(yīng)力和位移發(fā)生變化，數(shù)值模擬計算過程中，通常需要對模型施加相應(yīng)的應(yīng)力及位移邊界條件。模擬過程采取結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力及巖體自重計算原巖應(yīng)力場。模型頂部距離地表150 m，橫向應(yīng)力σH=4.23～6.196 MPa，豎向應(yīng)力σV=3.1 MPa，測壓系數(shù)λ=1.4～2。其各個表面上的應(yīng)力邊界條件：頂?shù)酌鎽?yīng)力邊界條件分別為-4.23 MPa、-6.196 MPa，變化梯度為0.023 MPa/m；四周側(cè)面應(yīng)力為-3.1 MPa,變化梯度為0.014 MPa/m。各表面的位移邊界條件：底面采取全部約束，四周環(huán)側(cè)面僅施加水平約束，頂面不進行約束[8-9]。模型材料變粒巖等屬于彈塑性材料，適用于摩爾-庫倫屈服準則，相應(yīng)材料物理力學參數(shù)經(jīng)折減后如表1所示。

表1 計算模型材料物理力學參數(shù)

2.2 模擬方案

礦柱回收數(shù)值模擬方案：第一步，回采礦房；第二步，充填人工礦柱；第三步，礦柱回收。每步均需進行迭代運算，下一步在上一步的計算基礎(chǔ)上進行。提取第一步和第三步的計算結(jié)果進行對比分析。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力分析

為揭示回采礦房及礦柱回收過程中，臨近回收區(qū)附近保安礦柱內(nèi)部正應(yīng)力的時空變化規(guī)律，分別在最大跨度面兩端礦柱(測點1、2)、回采區(qū)域的礦房橫斷面兩端礦柱(測點3、4)及人工礦柱(測點5)的中心點共布置5個監(jiān)測點，監(jiān)測結(jié)果分別見圖3、圖4。對比分析可知，正規(guī)回采后及殘采后各礦柱Z方向應(yīng)力都增加至一峰值后保持穩(wěn)定，礦柱處于新的應(yīng)力平衡狀態(tài)；殘采后各礦柱應(yīng)力峰值均明顯大于正規(guī)回采后，增量約5 MPa。測點5的應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，表明人工柱支撐下殘采區(qū)域處于相對的應(yīng)力平衡狀態(tài)，其峰值為6.78 MPa。

圖3 正規(guī)回采后各測點Z方向應(yīng)力變化規(guī)律

圖4 殘采后各測點Z方向應(yīng)力變化規(guī)律

3.2 位移分析

3.2.1 礦柱位移(Y方向)變化規(guī)律

水平方向位移是影響礦柱穩(wěn)定的重要因素，過量的位移會導(dǎo)致礦柱片幫、開裂而造成失穩(wěn)[10-11]。為探索回收區(qū)域附近礦柱的水平位移時空變化規(guī)律，分別在最大跨度面兩端礦柱(測點1、2)、回采區(qū)域的礦房橫斷面兩端礦柱(測點3、4)及人工礦柱(測點5)的邊緣共布置5個監(jiān)測點，監(jiān)測結(jié)果分別見圖5、圖6。正規(guī)回采后各礦柱在位移變化穩(wěn)定后均為Y軸負方向位移，測點2、4處于礦房中部，位移變化值較大，約為23 mm。殘采造成兩側(cè)礦柱水平位移背向回采區(qū)域遞增，測點1向Y軸正方向增量約3 mm，測點2、4向y軸負方向增量約22 mm。反復(fù)的異向位移表明，礦柱受到相應(yīng)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，對礦柱的穩(wěn)定性具有較大的影響，異向變化增量過大會導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)。

圖5 正規(guī)回采后各測點Y方向位移變化規(guī)律

圖6 殘采后各測點Y方向位移變化規(guī)律

3.2.2 頂板位移(Z方向)變化規(guī)律

頂板由于受到拉應(yīng)力及擠壓應(yīng)力會產(chǎn)生Z方向的位移變化，出現(xiàn)沉降或局部拱起，從而導(dǎo)致剪切破壞致頂板失穩(wěn)。為便于觀測頂板的沉降位移變化時空規(guī)律，共布置5個測點，回收礦柱與頂板接觸中心(測點1、2、3)、回采區(qū)域頂板中心點(測點4)及人工礦柱與頂板接觸中心點(測點5)。監(jiān)測結(jié)果分別見圖7、圖8。正規(guī)回采后頂板沉降量最大為210 mm，殘采擾動后給頂板帶來較大的沉降變化。因部分礦柱回采及人工礦柱架設(shè)導(dǎo)致回采區(qū)局部頂板拉應(yīng)力狀態(tài)的變化，產(chǎn)生隆起效應(yīng)，頂板最大沉降量減少至72 mm左右，人工礦柱接觸頂板沉降量125 mm左右。圖中變化趨勢表明，直接頂板千糜巖在一定的拉伸剪切破壞作用下會產(chǎn)生較大的塑性形變?？傮w沉降位移的穩(wěn)定表明，殘采后頂板將處于新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，不會給頂板造成大的破壞。

圖7 正規(guī)回采后各測點Z方向位移變化規(guī)律

圖8 殘采后各測點Z方向位移變化規(guī)律

3.3 塑性區(qū)分析

當巖體進入了塑性形變狀態(tài)以后，它的強度及承載能力均會發(fā)生很大程度的降低[12]。塑性區(qū)的大小、貫通程度是判斷空區(qū)及圍巖為穩(wěn)定性的重要標志。塑性區(qū)類型有，歷史上剪切破壞痕跡(shear-p)、拉伸破壞痕跡(tension-p)、剪切拉伸(shear-p tension-n shear-n tension-p)多重破壞重合4種形式。從圖9～圖12對比分析可知，殘采后頂板、底板剪切拉伸多重破壞區(qū)域擴大并局部貫通，但厚度不大，破壞體積較小。人工礦柱及圍巖等塑性區(qū)分布較小，無貫通狀況。綜合分析可知，殘采會造成回采區(qū)域內(nèi)小范圍的頂板片落、冒落現(xiàn)象，不會造成大的失穩(wěn)狀況。

4 結(jié) 論

(1)2次回采活動的擾動，均迫使原有的地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)正規(guī)回采活動破壞原始地應(yīng)力平衡后，采空區(qū)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)殘采后，應(yīng)力變化造成了采空區(qū)的頂板、礦柱、圍巖等產(chǎn)生了的位移、塑性形變等效應(yīng)，對采空區(qū)會造成了一定程度的破壞；應(yīng)力、位移等變化趨勢表明，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)形成過程中，采空區(qū)不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖9 正規(guī)回采后頂板塑性區(qū)分布規(guī)律

圖10 殘采后頂板塑性區(qū)分布規(guī)律

圖11 正規(guī)回采后礦房塑性區(qū)分布規(guī)律

圖12 殘采后礦房塑性區(qū)分布規(guī)律

綜合對比分析認為，該殘采方案具有一定的可行性，將為該金礦后續(xù)殘礦回采的方法提供參照，取得安全、高效、經(jīng)濟的殘采效益。對相似礦山也具有借鑒意義。

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(責任編輯 石海林)

Stability Analysis of Ore Pillar Recovery Based on FLAC3D

Zhao Yinggui1You Xun1Yue Guojun1Wang Chunren1Liu Xiangxin2

(1.MagangGroupDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Maanshan243000,China；2.InstituteofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China)

The gob group in a gold mine owns the characteristics of age-old goaf,unstable mine rock,and complicated residual resources.In order to efficiently and economically realize recovery of high grade residual ore pillars in safety in goaf,the scheme design for recovery of ore pillars and residual ores within wall rocks was given,based on on-site survey,tests and economic analysis and combined with production capacity,recovery rate of residual ore,and construction difficulties etc.Flac 3D inversion is adopted to analyze the whole procedure of the residual ore recovery scheme,and several sets of simulative monitor points are arranged within the adjacent pillars,roof and floor and artificial pillars in the area of residual ore.Some indexes of stress,strain and plastic zone before and after recovery of residual ore are obtained by numerical simulation.Through the comparative analysis,the gob stability before and after disturbance resulting from residual ore recovery is evaluated to verify the reliability of the mining activity.The evaluation method and conclusions have reference value to following case of residual ore recovery and the similar mines.

Recovery of residual ore，Numerical simulation，Gob stability

2014-05-11

趙迎貴(1980—)，男，工程師。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-019-05