基于FLAC3D分析研究某銅礦采場穩(wěn)定性

李 軼

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

0 引 言

礦體賦存于落雪組第一段的薄至中厚層含凝灰質(zhì)、泥砂質(zhì)白云巖中，礦體頂板為厚層狀白云巖夾硅質(zhì)條帶，底板為砂質(zhì)白云巖夾板巖，無夾石。礦體形狀簡單，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，礦床產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致；礦體規(guī)模為中型。礦體走向長 935 m，傾向延伸 425 m，礦體走向北北東向，傾向南東。礦體分布標(biāo)高 3 365～2 940 m，礦體傾角在68～78°，礦體最小厚度 1.3 m，最大厚度 12.35 m，平均厚度 4.85 m，礦體銅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12%，伴生銀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4.62 g/t，礦石量為972.04萬t，礦體厚度變化系數(shù)為89.53 %，礦體厚度穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定。

礦石以細(xì)-中晶半自形格狀交代結(jié)構(gòu)、含銅碎屑結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)為主，礦石金屬礦物以黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦及藍(lán)銅礦為主，脈石礦物主要為泥質(zhì)白云巖、石英。

采場周邊圍巖完整性較好，且穩(wěn)固性較好，巖石微風(fēng)化，多屬堅硬、半堅硬巖類，巖塊抗壓強度較高。故在礦圍巖總體穩(wěn)固、屬于急傾斜礦體這一條件下，首先提出了采用空場法的思路，為確保礦體開采過程中礦柱的自穩(wěn)安全，根據(jù)礦體賦存特征和工程地質(zhì)技術(shù)條件，考慮礦體傾角比較陡，提出了采用留礦法+嗣后充填的綠色發(fā)展理念，決定采用淺孔留礦嗣后充填采礦法。

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件來計算分析該采礦方法下的采場礦體開挖后對頂板是否產(chǎn)生安全影響，所采用的巖體物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)值表

1 采場結(jié)構(gòu)尺寸與采礦方法工藝

淺孔留礦和階段空場嗣后充填法礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù):礦塊沿走向布置，沿走向長 50 m，中段高度 145 m，上分段高 73 m，下分段高 72 m，礦房長 44 m，間柱寬 6 m，頂?shù)字?12 m。采場礦柱的尺寸依圍巖的穩(wěn)固性情況及礦體厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

在傾向上按由下自上的順序開采，在走向上相鄰礦塊間采用隔一采一的方式間隔跳采，礦塊回采結(jié)束后，對分段鑿巖巷道、電耙道進(jìn)行封閉，及時對空區(qū)進(jìn)行充填。

采場充填：出礦完成后，先對礦塊分層聯(lián)道、溜井、人行井等通道，按采場和區(qū)域，采用鋼筋混凝土擋墻進(jìn)行密閉；采場充填順序自下而上，將上中段產(chǎn)生的廢石經(jīng)充填小井進(jìn)行充填處理后，再進(jìn)行底層尾砂膠結(jié)充填。在采場底部優(yōu)先進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填6～8 m 高，灰砂比約為1∶10，再進(jìn)行非膠結(jié)尾砂充填；為保證尾砂及時脫水，實現(xiàn)采場安全，采場內(nèi)布設(shè)濾水管，并在尾砂中添加適量水泥，建議灰砂比不低于1∶30，要做到能充分接頂。

2 采場穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型的建立

本次模擬計算采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。FLAC3D數(shù)值模型共劃分為 336 000 個單元體，350 811 個節(jié)點，本次模擬計算采用的數(shù)值模型尺寸盡可能地逼近采場實際模型尺寸[1]。數(shù)值模型的尺寸為 500 m(礦體走向)×500 m(垂直走向)×480 m(垂直高度)，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖1、2所示。

本次數(shù)值模擬計算所采用的初始地應(yīng)力場是根據(jù)昆明勘察設(shè)計研究院和中南大學(xué)在落雪區(qū)域?qū)崪y的地應(yīng)力結(jié)果，即：

1)實測水平方向應(yīng)力值>自重應(yīng)力值，說明該礦山區(qū)域存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，原巖應(yīng)力場以近水平方向的構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，中間主應(yīng)力為垂直的自重應(yīng)力。

2)該銅礦區(qū)實測范圍內(nèi)的水平最大主應(yīng)力與自重應(yīng)力之比(側(cè)壓系數(shù))，其比值范圍在1.26～1.39之間，平均為1.30。各測點垂直應(yīng)力分量與測點埋深計算自重應(yīng)力數(shù)值上基本一致。

圖1 三維數(shù)值模擬計算模型 圖2 采場布置形態(tài)示意圖Fig.1 Three dimensional numerical simulation model Fig.2 Stope structure layout of a deposit

計算域邊界先施加原始構(gòu)造應(yīng)力，然后采取位移約束。模型單元體尺寸為3～5 m，為實際工程尺寸比率的2%左右。

2.2 分段采場礦體開挖后，采場圍巖塑性區(qū)分布及應(yīng)力特征

1)從塑性區(qū)分布云圖3～7可以得出：分段采場礦體開挖后，引發(fā)了次生應(yīng)力場，構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層的自重應(yīng)力向采空區(qū)周邊圍巖和采場頂?shù)字伴g柱轉(zhuǎn)移，使采場角隅處的圍巖和礦柱均產(chǎn)生了塑性擾動區(qū)。采場周邊圍巖和頂板則出現(xiàn)了一小部分零散分布的塑性擾動區(qū)(松動區(qū))，塑性區(qū)分布厚度不大，為4～10 m，說明每次分段開采引起頂板產(chǎn)生的塑性擾動區(qū)高度是有限的，采場頂板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 第一分段開挖后采場圍巖塑性區(qū)分布 圖4 第二分段開挖后采場圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stope after the first sublevel excavation Fig.4 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stope after second sublevel excavation

圖5 第三分段開挖后采場圍巖塑性區(qū)分布 圖6 第四分段開挖后采場圍巖塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stope after third sublevel excavation Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stope after fourth sublevel excavation

圖7 分段采場開挖后礦柱塑性區(qū)分布云圖Fig.7 The plastic-zone distribution cloud chart of pillar after sublevel stope excavation

2)從塑性區(qū)分布云圖3～7可以得出：整個采場礦柱均出現(xiàn)了連片一體的塑性擾動區(qū)，說明礦柱處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)，倘若礦體厚度薄，該礦柱在不充填的情況下，可以基本保持穩(wěn)定，但是當(dāng)?shù)V體厚度大時，該礦柱在不充填的情況下，隨著時間的長久推移，巖體的強度會風(fēng)化弱化，礦柱有可能失穩(wěn)破壞，建議在礦體厚度大的地段或者巖體較破碎地段，增加礦柱尺寸，頂?shù)字穸瓤商岣叩?15 m 左右，采場間柱增加到 8 m 左右，同時及時做好充填，這樣采場安全生產(chǎn)基本上就有很大保障。

3)建議礦體回采過程中要實現(xiàn)及時采出、及時充填的思路和措施，縮短礦柱的暴露時間，這樣使采空區(qū)及時得到支撐，限制圍巖和頂板變形的發(fā)展，以保證作業(yè)面的安全以及控制頂板下沉程度，確保上覆巖層及地表的安全穩(wěn)定。

4)采場礦體開挖后，原巖中存在的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到擾動，在空區(qū)周圍引起原巖應(yīng)力的重新分布，產(chǎn)生次生應(yīng)力，造成原巖應(yīng)力的擾動規(guī)律就是應(yīng)力傳遞受到一定阻斷，圍巖周邊會產(chǎn)生應(yīng)力集中。從最大壓應(yīng)力分布云圖8、9可以看出：采場礦柱出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為 50 MPa 左右，處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)；采場頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力為10～35 MPa，充填體所承受的壓應(yīng)力為 0.3 MPa 左右。

圖8 分段采場礦體開挖后采場頂板、充填體及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.8 Maximum compressive stress distribution chart of stope roof, filling body and surrounding rock after ore body excavation in sublevel stope

圖9 分段礦體逐次開挖過程中，礦柱最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.9 Maximum compressive stress distribution chart of pillar during successive excavation of sublevel orebody

5)從最大拉應(yīng)力分布云圖10、11可以看出：采場礦體開挖后，采場礦柱所承受的最大拉應(yīng)力為 1.47 MPa，未超過礦體的抗拉強度值 1.6 MPa，采場礦柱將不會發(fā)生拉伸破壞。采場頂板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，也不會發(fā)生拉伸破壞。

圖10 分段采場礦體開挖后采場頂板及圍巖最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.10 Maximum tensile stress distribution chart of stope roof and surrounding rock after ore body excavation in sublevel stope

圖11 分段礦體逐次開挖過程中礦柱最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.11 Maximum tensile stress distribution chart of pillar during successive excavation of sublevel orebody

2.3 分段采空區(qū)嗣后充填后，采場圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力和位移分布特征

從模擬結(jié)果云圖12～18可以看出：

1)分段采空區(qū)嗣后充填后，根據(jù)采場圍巖塑性區(qū)分布云圖(圖12、13)，頂板及周邊圍巖塑性區(qū)大幅度減少，只是在采場角隅處出現(xiàn)極少量零星的塑性擾動區(qū)，采場頂板及其他周邊圍巖基本未出現(xiàn)塑性擾動區(qū)，此時采場整體是穩(wěn)定的，說明充填使采空區(qū)及時得到支撐，限制了圍巖變形的發(fā)展，減輕了頂板壓力，極大改善了圍巖塑性擾動范圍。但是部分礦柱還是處于高應(yīng)力塑性屈服狀態(tài)(圖13)，說明尾砂充填體對頂板的直接支撐抗力是很有限的，與原巖相比，充填體是原巖變形模量的1/10左右，達(dá)不到原巖礦柱對頂板的支撐剛度，大部分地壓仍要靠礦柱自身支撐。

2)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)，改善了圍巖周邊應(yīng)力狀態(tài)，使得圍巖和礦柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，很大程度上提高了自身強度，達(dá)到消除頂板大面積冒落的可能性，阻止了井下沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生，有效控制了地壓顯現(xiàn)。

3)采場礦體開挖后，原巖中存在的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到擾動，在空區(qū)周圍引起應(yīng)力和位移的重新分布，從最大壓應(yīng)力分布云圖14、15可以看出，采空區(qū)充填后，采場礦柱還是出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為 42.5 MPa 左右，處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)，但比充填之前礦柱所承受的壓應(yīng)力降低了較多；采場頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力為8～20 MPa，也比充填之前頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力降低較多；充填體所承受的壓應(yīng)力為 0.23 MPa 左右，嗣后充填后對原巖應(yīng)力接遞能力有限，原巖應(yīng)力的擾動規(guī)律使應(yīng)力傳遞受到一定阻斷，同時分布有次生應(yīng)力，應(yīng)力繞向圍巖四周傳遞，圍巖周邊還會產(chǎn)生一定應(yīng)力集中?？傊涮钐幚砗?，應(yīng)力集中系數(shù)明顯小于充填前的應(yīng)力集中系數(shù)。

4)從最大拉應(yīng)力分布云圖16、17可以看出：采空區(qū)嗣后充填后，采場個別礦柱仍存在拉應(yīng)力，采場礦柱所承受的最大拉應(yīng)力為 0.99 MPa，未超過礦體(落雪組白云巖)的抗拉強度值 1.6 MPa，采場礦柱將不會發(fā)生拉伸破壞。采場頂板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，也不會發(fā)生拉伸破壞。

5)從圖18可以看出，采場頂板的變形基本呈現(xiàn)拱形效應(yīng)，頂板最大下沉位移值為 4.7 cm，頂板下沉變形量較小，基本處于可控范圍。由此可見，現(xiàn)有的采場結(jié)構(gòu)尺寸基本合理，礦體開挖過程中，采場兩側(cè)圍巖、礦柱及頂板還是能做到比較穩(wěn)固安全，自穩(wěn)能力較強，剛度大，充填后安全保障性更高。

圖12 分段礦體開挖嗣后充填后， 圖13 分段礦體開挖嗣后充填后， 采場圍巖塑性區(qū)分布云圖 礦柱塑性區(qū)分布云圖 Fig.12 The plastic-zone distribution cloud chart of Fig.13 The plastic-zone distribution cloud chart of stope after sublevel ore body excavation and filling pillar after sublevel ore body excavation and filling

圖14 分段礦體開挖嗣后充填后，采場頂板、充填體及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.14 Maximum compressive stress distribution chart of stope roof, filling body and surrounding rock after sublevel ore body excavation and filling

圖15 分段礦體開挖嗣后充填后，礦柱最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.15 Maximum compressive stress distribution chart of pillar after sublevel ore body excavation and filling

圖16 分段礦體開挖嗣后充填后，采場頂板及圍巖最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.16 Maximum tensile stress distribution chart of stope roof and surrounding rock after sublevel ore body excavation and filling

圖17 分段礦體開挖嗣后充填后，礦柱最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.17 Maximum tensile stress distribution chart of pillar after sublevel ore body excavation and filling

圖18 分段礦體開挖嗣后充填后，采場頂板下沉位移分布云圖Fig.18 Roof subsidence displacement cloud chart after sublevel ore body excavation and filling

3 結(jié) 論

通過對地下開采數(shù)值模擬穩(wěn)定性計算分析，可得出如下結(jié)論：

1)分段采場礦體開挖后，造成采場圍巖和礦柱均產(chǎn)生了一小部分零散分布的塑性擾動區(qū)(松動區(qū))，塑性區(qū)分布厚度不大，為4～10 m，說明每次分段開采引起頂板產(chǎn)生的塑性擾動區(qū)高度是有限的，采場頂板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)倘若礦體厚度薄，在不充填的情況下，現(xiàn)有的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸基本合理，可以基本保持采場穩(wěn)定，但是當(dāng)?shù)V體厚度大或遇到巖體較破碎時，該礦柱在不充填的情況下，巖體的強度會隨時間風(fēng)化弱化，礦柱有可能失穩(wěn)破壞，建議在礦體厚度大的地段或者巖體較破碎地段，增加礦柱尺寸，頂?shù)字穸瓤商岣叩?15 m 左右，采場間柱增加到 8 m 左右，同時及時做好充填，這樣會較大程度提高采場的安全性。

3)礦體開挖嗣后充填后，采場頂板及周邊圍巖基本未出現(xiàn)塑性擾動區(qū)，采場頂板最大下沉位移值為 4.7 cm，頂板下沉變形量較小，基本處于可控范圍。由此可見，現(xiàn)有的采場結(jié)構(gòu)尺寸基本合理，礦體逐步開采過程中，采場兩側(cè)圍巖、礦柱及頂板能夠保持穩(wěn)固安全，自穩(wěn)能力較強，剛度大，充填后安全保障性更高。

4)井下生產(chǎn)過程中要盡量采取強采、強出、強充的開采措施,同時為防止頂板及周邊圍巖出現(xiàn)連片塑性區(qū)，建議礦塊之間采用“跳采”方式回采，縮短采空區(qū)的跨度，從而有利于各個分段采場地壓管理，實現(xiàn)礦體順利回采。