基于FLAC3D多礦房同采圍巖的穩(wěn)定性研究

許永山 孫忠文 曲玉峰 高 濤 曲軍艦

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司；2.煙臺(tái)恒邦集團(tuán)有限公司)

基于FLAC3D多礦房同采圍巖的穩(wěn)定性研究

許永山1孫忠文2曲玉峰1高 濤1曲軍艦1

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司；2.煙臺(tái)恒邦集團(tuán)有限公司)

礦體開(kāi)采將引起周?chē)鷰r體應(yīng)力的重新分布，當(dāng)二次應(yīng)力大于巖體的強(qiáng)度，將使巖體破壞，導(dǎo)致地壓災(zāi)害。地壓災(zāi)害的發(fā)生還與巖性、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序有關(guān)，不同的回采順序具有不同的地壓顯現(xiàn)規(guī)律。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)某礦進(jìn)行了多礦房同采條件下的圍巖穩(wěn)定性分析，取得了良好的模擬效果。

多礦房開(kāi)采 圍巖穩(wěn)定性 分段落礦階段礦房采礦法

巖體是一種既復(fù)雜又非線(xiàn)性、非均質(zhì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，采礦和巖石開(kāi)挖工程所涉及到的巖體介質(zhì)的性質(zhì)、巖體取樣的代表性、力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，樣品試驗(yàn)技術(shù)和環(huán)境條件等巖石工程力學(xué)問(wèn)題，通常無(wú)法用常規(guī)的解析法簡(jiǎn)單求解。在求解非線(xiàn)性、非均質(zhì)巖體開(kāi)挖條件下的力學(xué)問(wèn)題時(shí)，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬方法具有廣泛的適用性和強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，不僅能分析各種邊值問(wèn)題和開(kāi)挖施工的過(guò)程，而且可以很方便地模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特性，計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變等多種力學(xué)指標(biāo)，并對(duì)巖體開(kāi)挖工程所引起的周?chē)鷰r土體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)[1-2]。

1 礦區(qū)地層

某礦區(qū)出露的地層由老至新包括：元古界板溪群(Ptbn)構(gòu)成本區(qū)的基底，該層巖性主要由千枚巖組成，大片出露于礦區(qū)南部；下石炭統(tǒng)華山嶺組(C1h)以紅色巖層的河流相沉積為特征，主要為粗細(xì)碎屑巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度28～69 m；下石炭統(tǒng)梓山組下段(C1z1)，以河流相-河沼相的粗細(xì)碎屑巖、黏土巖夾薄煤層為特征，厚29～61 m；下石炭統(tǒng)梓山組上段(C1z2)，以濱海-湖沼相-淺海相的細(xì)碎屑巖、黏土巖夾泥灰?guī)r和薄煤層(或含炭頁(yè)巖)為特征，厚39～69 m；中上石炭統(tǒng)壺天群下亞群(C2-3ht1)為濱海淺灘相沉積的鈣質(zhì)中碎屑巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和白云質(zhì)碳酸鹽巖，厚28～39 m；中上石炭統(tǒng)壺天群上亞群(C2-3ht2)主要為咸化淺海相的白云質(zhì)巖石，厚139 m；白堊系新余群(Exn)為近山麓相的紅色礫巖和砂巖，廣泛分布于礦區(qū)北部，多被第四系覆蓋，厚度大于390 m。

2 礦體開(kāi)采技術(shù)條件

該礦體開(kāi)采技術(shù)條件較差，礦體賦存于黏土頁(yè)巖和巖漿巖的結(jié)合部位，整個(gè)礦體受F1和F3東南方向斷裂破碎帶控制，礦石以原生黃銅礦為主，膠狀黃鐵礦和黃鐵礦次之。黃銅礦、黃鐵礦中裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，巖體普氏系數(shù)f=8～12，礦體在沒(méi)有斷層破壞時(shí)，穩(wěn)定性較好。

北東向常有8～15 m的破碎帶；北西、南北向斷層破碎帶寬3～9 m，剪切節(jié)理帶寬2～4 m。受這些斷層破碎帶的影響，特別是在斷層交叉處，巖體穩(wěn)定性極差，基本屬于最不穩(wěn)定類(lèi)巖層。此外在砂巖中，走向19°～38°及 270°～350°兩組斷層附近的巖體裂隙普遍較發(fā)育，而且裂隙密度大，巖石常常被切割成塊狀，小塊巖樣強(qiáng)度雖大，但巖體整體穩(wěn)定性較差，總體屬于不穩(wěn)定類(lèi)巖層。

3 多礦房同采數(shù)值模擬分析

礦體開(kāi)挖過(guò)程中將引起周?chē)鷰r土體中的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力分布不均，有的區(qū)域應(yīng)力小于巖土體的強(qiáng)度，有的區(qū)域應(yīng)力集中超過(guò)了巖體的強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)破壞，造成礦體開(kāi)挖過(guò)程中地壓顯現(xiàn)[3]。

研究不同數(shù)量礦房同時(shí)開(kāi)采地壓顯現(xiàn)規(guī)律，有助于礦山管理者科學(xué)決策回采礦房的布置，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究多礦房同采的穩(wěn)定性，確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開(kāi)采順序，分析不同礦房回采過(guò)程中采場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)分布狀況，對(duì)礦體開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)做出科學(xué)判斷，在保證生產(chǎn)安全的前提下，合理布置多個(gè)礦房同時(shí)開(kāi)采，最大限度地減少礦山開(kāi)采成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 模型建立

該礦體深部開(kāi)采范圍從-235～-410 m，分-280，-325，-375，-415 m 4個(gè)中段。模擬過(guò)程中既要滿(mǎn)足工程計(jì)算精度及可靠性的要求，又要考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，所以選深部開(kāi)采的-375 m中段作為數(shù)值模擬研究的對(duì)象，建立計(jì)算模型。

由于礦體開(kāi)采開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周?chē)鷰r土體的擾動(dòng)范圍基本為開(kāi)挖范圍的3～5倍[4]，所以模擬模型尺寸取(長(zhǎng)×寬×高)120 m×120 m×70 m，見(jiàn)圖1所示。礦體模型厚度為25 m，傾角45°，礦塊垂直礦體走向布置，中段高度為50 m，礦房底柱高度為13 m，礦房(柱)寬13 m，長(zhǎng)為礦體水平厚度，見(jiàn)圖2所示。模型中z軸為豎直方向，正軸向上，z=0平面為-375 m 中段水平；y軸方向?yàn)榈V體走向；x軸方向?yàn)榕c礦體走向垂直。

3.2 礦巖參數(shù)

數(shù)值模擬所涉及到的地質(zhì)體材料參數(shù)如表1所示。

圖1 礦區(qū)計(jì)算模型

圖2 礦體計(jì)算模型

表1 模型計(jì)算采用的材料參數(shù)

4 模擬過(guò)程及計(jì)算結(jié)果分析

采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準(zhǔn)則作為判據(jù)準(zhǔn)則[5]。為探明礦房回采對(duì)礦柱及頂?shù)装鍛?yīng)力的影響，對(duì)同一采場(chǎng)3個(gè)礦房同時(shí)回采的情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 三礦房同時(shí)開(kāi)采時(shí)塑性區(qū)分布

從圖3可以看出，采用分段落礦階段礦房采礦法，在同一中段水平對(duì)3個(gè)礦房同時(shí)進(jìn)行回采，在礦體礦房的上、下盤(pán)圍巖中產(chǎn)生了少量的塑性區(qū)分布，但由于分布區(qū)域沒(méi)有連續(xù)性，且都不在頂?shù)装宓年P(guān)鍵部位，因此不會(huì)對(duì)礦體頂?shù)装宓姆€(wěn)定性造成影響。

從圖4、圖5可以看出，在三礦房同時(shí)回采模擬計(jì)算中，頂板的拉應(yīng)力在2.02～2.21 MPa，垂直方向上壓應(yīng)力為209.21～24.36 MPa，垂直方向上位移為1.97～2.48 mm。由此可知，采用分段落礦階段礦房采礦法對(duì)三礦房同時(shí)進(jìn)行回采是安全可行的。

實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，礦房?jī)?nèi)出礦后要及時(shí)對(duì)爆露的采空區(qū)進(jìn)行充填，充填體可有效緩解礦柱的應(yīng)力集中狀態(tài)，在一定程度上提高礦柱的整體穩(wěn)定性，避免礦柱由于長(zhǎng)時(shí)間暴露而發(fā)生屈服破壞。

圖4 三礦房同時(shí)開(kāi)采時(shí)應(yīng)力云圖

圖5 垂直方向位移

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)為保證FLAC3D數(shù)值模擬的可靠性，需根據(jù)模擬礦山的實(shí)際情況合理選擇計(jì)算區(qū)域、選取巖體力學(xué)參數(shù)及其破壞準(zhǔn)則、確定計(jì)算模型的邊界約束條件。

(2)從數(shù)值模擬結(jié)果判斷，該礦采用分段落礦階段礦房采礦法，對(duì)三礦房同時(shí)開(kāi)采是安全可行的。

[1] 閆長(zhǎng)斌，徐國(guó)元，李夕兵.爆破震動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響的FLAC3D分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(16)：2894-2899.

[2] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 蔡美峰，何滿(mǎn)潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4] 施建俊，孟海利.采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序的數(shù)值模擬優(yōu)化研究[J].有色金屬:礦山部分,2005,57(2):9-11.

[5] 王新民,王長(zhǎng)軍，張欽禮,等.基于ANSYS程序下的采場(chǎng)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2008,386(8):17-20.

Research on the Stability of Surrounding Rock Mass with Multi-chambers Mining Together Based on FLAC3D

Xu Yongshan1Sun Zhongwen2Qu Yufeng1Gao Tao1Qu Junjian1

(1. Shandong Humon Smelting Co.,Ltd.; 2. Yantai Humon Group Co.,Ltd.)

The surrounding rock mass stress can be redistributed by orebody mining, the rock mass can be damaged and the ground pressure disasters can be caused under the conditions of the secondary stress is greater than the strength of the rock mass. The occurrence of ground pressure disasters are related to the lithology, stope structure parameters and stoping sequence, the difference of stoping sequence with difference regularity of underground pressure occurrence. Based on FLAC3Dnumerical simulation software, the stability of surrounding rocks under the conditions of multi-chambers mining is analyzed, and the good simulation effect is obtained.

Multi-chamber mining, Stability of surrounding rock mass, Sublevel caving chamber mining method

2015-04-29)

許永山(1976—)，男，部長(zhǎng)，工程師，264100 山東省煙臺(tái)市牟平區(qū)北關(guān)大街628號(hào)。