某鐵礦地下開采圍巖穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值模擬分析研究

李 軼

(貴州安科勞動(dòng)保護(hù)技術(shù)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000)

0 引 言

某礦山鐵礦為磁性礦體，產(chǎn)于紅山組上部角閃變鈉質(zhì)熔巖底部。礦體主要賦存在-135～355 m標(biāo)高范圍之內(nèi)，礦體埋深約為400～800 m；礦體厚度16～100 m，平均 31.2 m。礦體呈似層—透鏡狀產(chǎn)出，具有中心部位厚度大、向四周變薄以至尖滅的特征。礦體產(chǎn)狀跟地層產(chǎn)狀大致一致，礦體走向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|，傾向南西，呈緩傾斜—傾斜產(chǎn)出，以傾斜礦體為主，傾角在11～63°之間變化，平均傾角為37°，淺部較平緩，往深部變陡。

頂板圍巖主要為變鈉質(zhì)熔巖及輝長輝綠巖，底板圍巖主要為變鈉質(zhì)熔巖。頂、底板巖層完整性好，巖石風(fēng)化程度弱，巖石多屬堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖類，礦巖抗壓強(qiáng)度較高，穩(wěn)固性好。因地表有河流、公路、工業(yè)及民用設(shè)施等需要保護(hù)，屬典型“三下”開采，為確保地表的安全穩(wěn)定，本文在礦圍巖總體穩(wěn)固這一條件下，提出了采用點(diǎn)柱充填法開采的思路，采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法。

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算論證在該采礦方法條件下，地下開采對(duì)地表的穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響，采礦方法是否合理可行，安全是否可靠。綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)、現(xiàn)場實(shí)際采礦工程的情況進(jìn)行分析，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則折減處理巖石物理力學(xué)參數(shù)，所得巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

1 采場結(jié)構(gòu)尺寸與采礦方法工藝

該礦山礦段采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法采礦，分段高度 20 m，礦塊沿走向長度 40 m，礦塊垂直走向?qū)挾葹榈V體水平厚度，礦塊間留 4 m 寬間柱，礦塊內(nèi)留 5 m×5 m 點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距約 13.5 m。在上部區(qū)段已先回采，下部區(qū)段后回采情況下，下部區(qū)段的頂部要留設(shè)頂柱(上下區(qū)段的隔離礦柱)，以保證下部區(qū)段回采的安全。類比其它礦山，選擇頂柱高度為 12 m，回采分層高度為 4 m，空頂高度為 1.8 m。每一分層回采結(jié)束后，將回采聯(lián)道脈外部分挑頂并墊高底板后形成上一分層的回采聯(lián)道。每一分層采后需及時(shí)充填，充填分底層和面層兩部分，底層用廢石和尾砂充填：先用井下掘進(jìn)廢石充填，然后采用非膠結(jié)充填3.4 m，最后進(jìn)行膠結(jié)充填鋪面，鋪面厚度為 0.6 m。其中非膠結(jié)充填材料采用 -10 mm 級(jí)配碎石與砂倉自然分級(jí)尾砂混合料，廢尾比為5∶5，不添加或少量(灰砂比1∶20至1∶30)添加水泥，輸送濃度為80%；膠結(jié)充填骨料采用 -10 mm 級(jí)配碎石與砂倉自然分級(jí)尾砂混合料，廢尾比為7∶3，灰砂比為1∶7，輸送濃度為83%，面層充填體強(qiáng)度為 2 MPa，以保證無軌采掘設(shè)備運(yùn)行的要求。

2 礦段地下開采圍巖穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值模擬研究

2.1 計(jì)算模型的建立

本次數(shù)值模擬研究采用FLAC3D數(shù)值軟件，幾何模型尺寸盡可能逼近地表及地層實(shí)際模型尺寸[1]。模型y方向?yàn)榈V體走向方向，長度為 900 m ；模型x方向垂直礦體走向方向，長度為 1 000 m；模型z方向?yàn)樨Q直方向，模型底部標(biāo)高 -300 m，頂部最高標(biāo)高 928 m，模型最高高度 1 228 m。

計(jì)算域邊界先施加自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場，然后采取位移約束。采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。模型共劃分為 516 992 個(gè)單元體，553 755個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖1、2所示。

圖1 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，該鐵礦主采區(qū)附近的地應(yīng)力場情況為：最大主應(yīng)力方向?yàn)?18°，此方向的側(cè)壓力系數(shù)為1.3；最小主應(yīng)力方向?yàn)?28°，此方向的側(cè)壓力系數(shù)為0.75～0.8；中間主應(yīng)力近似為鉛垂方向，其數(shù)值大小約等于巖體自重。

數(shù)值模擬研究中的礦房開挖尺寸：沿走向長度為 40 m，礦塊垂直走向?qū)挾葹榈V體水平厚度，礦房之間留 4 m 寬間柱，礦房內(nèi)留 5 m×5 m 點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距約 13.5 m，與實(shí)際采場布置尺寸相同。模型單元體尺寸為5～8 m，與實(shí)際工程尺寸的比例約為5∶100。

2.2 預(yù)留礦房間柱和點(diǎn)礦柱，采后充填圍巖穩(wěn)定性分析

某礦段采用點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法采礦，開采過程是采一層充一層，分層高 4 m，回采作業(yè)與充填作業(yè)交替進(jìn)行，這樣可使采空區(qū)及時(shí)得到支撐，限制圍巖和礦柱變形的發(fā)展，保證了工作面的安全以及降低地表的下沉程度。文章限于篇幅，只提供了部分礦體沿走向方向上的開挖充填順序圖片(圖3)。

圖3 礦房沿走向開挖充填計(jì)算模擬順序

2.3 巖體塑性區(qū)分布特征

從模擬結(jié)果塑性區(qū)分布云圖(圖4—9)可以看出：

圖4 礦體全部開采充填后地表塑性區(qū)分布云圖

1)地表只是在局部出現(xiàn)了零星的塑性區(qū)，如圖4所示，并且地表以下較深處還是實(shí)體，再結(jié)合圖5的2個(gè)典型剖面的塑性區(qū)分布圖可以看出，地下開采充填后產(chǎn)生的塑性區(qū)并未貫通到地表。因此，地表出現(xiàn)的零星塑性區(qū)不會(huì)構(gòu)成安全隱患，此時(shí)地表巖體整體是穩(wěn)定的。如圖6、8所示，充填后頂板(上盤)基本上未出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性擾動(dòng)區(qū)分布很少，對(duì)頂板整體穩(wěn)定性影響不大，而且頂板沿走向方向上未出現(xiàn)相互貫通的塑性區(qū)，塑性區(qū)主要集中在礦房間柱和點(diǎn)礦柱上，所以此時(shí)的頂板整體是穩(wěn)定的。

2)礦柱塑性區(qū)分布如圖7所示，礦房充填后，礦柱還是處于高應(yīng)力塑性屈服狀態(tài)，說明尾砂充填體對(duì)頂板的直接支撐抗力是很有限的，即使是高強(qiáng)度的膠結(jié)充填體，因其強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)比原巖低得多，是原巖彈模的十分之一至數(shù)百分之一，不可能起到原巖礦柱的支撐作用，大部分地壓仍要靠礦柱自身支撐。充填體的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在礦柱與充填體的交界處，如圖9所示。

3)如圖6—8所示，雖然尾砂充填體承載能力有限，但其重要的作用是消除了空區(qū)，可阻止頂板變形破壞的發(fā)展，消除頂板大面積冒落的可能性，避免災(zāi)難性的地壓活動(dòng)，能有效緩和及抑制地壓顯現(xiàn)，同時(shí)還能改善圍巖及礦柱的應(yīng)力狀態(tài)，提高其自身支承能力。

2.4 地表位移變形特征

從地表位移變形圖(圖10—12)可以看出：垂直礦體走向地表x方向水平最大位移為 6 mm，沿礦體走向地表y方向水平最大位移為 5 mm，地表最大下沉(沉降)位移為 2.95 cm，下沉變形量很小，此時(shí)地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，礦房里的礦體在邊采邊充的情況下未影響到地表及地表工程設(shè)施。最大下沉變形區(qū)域位于中部比較厚大礦體的正上方地表區(qū)域。

3 結(jié) 論

通過采后充填FLAC3D數(shù)值模擬研究分析得出以下結(jié)論：

1) 充填后，頂板未出現(xiàn)沿走向相互貫通連片的塑性區(qū)，頂板不會(huì)發(fā)生冒落，所以在空區(qū)充填情況下采場頂板下沉變形小，頂板巖層不會(huì)失穩(wěn)垮塌，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 礦體全部開采充填后典型剖面塑性區(qū)分布云圖

圖6 礦體全部開采充填后各個(gè)礦房剖面塑性區(qū)分布云圖

圖7 全部開采充填后礦柱塑性區(qū)分布云圖

圖9 礦體全部開采充填后充填體塑性區(qū)分布云圖

圖11 開采充填后地表y水平方向位移變形云圖

2)充填后，礦房間柱和點(diǎn)礦柱還是處于高應(yīng)力塑性屈服狀態(tài)，說明尾砂充填體對(duì)頂板的直接支撐抗力是很有限的，不可能起到原巖礦柱的支撐作用，大部分地壓仍要靠礦柱自身支撐。充填體的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在礦柱與充填體的交界處。

3)在采場四周邊界角隅處，出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中和塑性區(qū)，致使采場四周邊界角隅處的礦柱可能會(huì)被壓垮。但充填體的存在可阻止邊界角隅處頂板的繼續(xù)變形和破裂帶的擴(kuò)展，避免了頂板冒落，也不會(huì)使整個(gè)采場礦柱系統(tǒng)失去支撐能力。可見，充填體能有效緩和及抑制地壓顯現(xiàn)。

4)充填后，地表最大下沉位移為 2.95 cm，下沉變形量很小，此時(shí)地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5)實(shí)施地壓監(jiān)測，通過監(jiān)測掌握實(shí)際的地表變形情況，并結(jié)合礦山施工工藝，才能正確把握地表變形活動(dòng)特征及其發(fā)展變化趨勢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地表異常情況并采取措施，以保證地表工程的安全運(yùn)行，為采礦工作的安全、經(jīng)濟(jì)和高效進(jìn)行提供保障。