基于FLAC3D高陡邊坡下開采掛幫礦的圍巖穩定性研究

摘 要：為了安全的回收大冶鐵礦2#掛幫礦，采用FLAC3D有限元法對上向水平分層膠結充填法開采掛幫礦的結構參數和回采工藝工程進行了數值模擬，分析了高陡邊坡下掛幫礦開采對圍巖穩定性的影響。模擬結果表明：掛幫礦在開采過程中，坡腳始終出現應力集中，最大值為10MPa；隨著開采的進行，空場頂板最大位移逐漸向邊坡處轉移；開采過程中，需要重點監測最大采深上部邊坡，必要時候需要支護。生產結果表明：FLAC3D數值結果指導掛幫礦回采工藝設計是合理的。

關鍵詞：掛幫礦；FLAC3D；數值模擬；膠結充填法；圍巖穩定性

膠結充填采礦法具有能有效控制圍巖移動、確保地表不發生沉陷、利用工業廢渣和工業廢料、保護人類環境等優點，因此越來越受到礦業界的重視[1]。然而關于采用膠結充填法開采掛幫礦，并從回采過程的角度研究膠結充填法開采掛幫礦對邊坡圍巖穩定性的方面研究較少。另外一面，由于掛幫礦賦存條件的特殊性，其開采一直是科技界較為頭痛的問題，它涉及地質學、采礦工程、巖土工程、安全工程等多學科內容[2～3]。因此，如何在高陡邊坡上對掛幫礦進行合理的開采并確保圍巖穩定性成為亟待解決的問題。

近年來，數值模擬技術已經發展成為研究礦山開采問題的一種可靠、有效的途徑和方法。其中我國20世紀90年代初引進的FLAC3D有限元軟件，廣泛應用于工程地質和巖石力學分析，如礦體滑坡、煤礦開采沉陷預測，水利樞紐巖體穩定性、采礦巷道穩定性分析等[4～5]。它是在建立合理的工程地質模型的基礎上，利用FLAC3D定量模擬其流動力學和動力學過程、探討、驗證并預測、控制地下空間開挖過程中的圍巖和支護結構的應力演變和構造變形等。

1 高陡邊坡下開采掛幫礦的FLAC3D數值模擬

1.1 工程概況

大冶鐵礦2#掛幫礦主要賦存于閃長巖與大理巖接觸帶上，呈NW向分布。礦體形態以似層狀、小透鏡狀、囊狀、不規則狀為主，產狀變化比較大。分布在31-1～33-2號勘探線之間，深入邊坡之下，B+C級礦量82.99萬t，品位TFe53.88%，分布集中。該礦體呈倒棱柱狀，走向延長75m，傾向延伸84m，水平厚度10～40m，賦存標高-144～-168m。經過多次開采，-144m水平在空場內部形成了一個高13m左右的大空場，空場面積為1202m2。空場中留有不規則礦柱，厚度約4m，并與露天邊坡之間留有-6m寬的條形礦柱，保持邊坡的穩定和完整[6]。為回采剩余礦石儲量，設計選擇膠結充填法回采礦石，利用原有露天運輸系統將礦石運出，并充填已有的采空區，以保證邊坡的穩定性和完整性。

1.3 模型建立

所建三維模型是參照大冶鐵礦東采尖山2#掛幫礦開采建立，選取地形圖上橫坐標范圍87560～87730、縱坐標范圍44600～44700、高程范圍由-182～-36m。整個三維模型長224m，寬180m，高差最大值146m，模型包括2#掛幫礦礦體及圍巖，以及掛幫礦上部到-36水平邊坡，模型剖面見圖1所示。模型建立之后添加約束、施加力和重力，先將整個模型進行彈性計算，再根據巖性輸入對應塑性物理參數，進行塑性計算，形成初始應力場。在進行模擬的過程中，模型的約束邊界條件設定如下：①模型左右邊界為單約束邊界，取x=0，y≠0，z≠0；②模型前后邊界為單約束邊界，取x≠0，y=0，z≠0；③模型底部邊界全約束邊界，取x=0，y=0，z=0；④模型上部為自由邊界，不予約束。

礦體開采方式為兩翼向中間后退式分層開采，每層高度為4m，充填4m留出2m高的作業空間。按照“充分開采，及時充填，從下到上，依次開采”的原則進行數值模擬。因為巷道掘進對圍巖和邊坡擾動不大，所以對模型進行了簡化，而且礦柱為永久礦柱，主要考慮礦房開挖對圍巖、邊坡和已有空場的影響。礦體剖面及開采形式圖3所示。

2 FLAC3D數值模擬結果分析

FLAC3D模型模擬礦體采用兩翼向中間后退式上向膠結充填法開采，通過分析礦體在采充過程中的塑性破壞區、最大主應力和空場頂板位移的變化情況，研究圍巖、邊坡的穩定性規律。

2.1 邊坡的塑性破壞區域

從圖4看出，隨著開挖的進行邊坡上的塑性破壞區域逐漸增大，且向模型中間移動。當開挖到-144水平到-132水平的礦體時，礦體外邊坡由于開采擾動的影響，塑性破壞區域增大較大，-144水平以上到-132水平邊坡幾乎全部塑性破壞。

2.2 圍巖的最大主應力

2.3 空場頂板位移

3 結束語

通過FLAC3D數值模擬分析高陡邊坡下膠結充填法開采掛幫礦，可以得出以下結論：

（1）礦體在開采中，坡腳始終出現應力集中，最大值為10MPa；

（2）隨著開采的進行，空場頂板最大位移逐漸向邊坡處轉移，位于3號礦房上部，最大值為5.5mm；

（3）在開采過程中，需要重點監測3號和4號礦房上部圍巖和邊坡的穩定性，必要時需要進行支護；

（4）大冶鐵礦2#掛幫礦采用上向水平分層膠結充填采礦法回采是合理的，礦房寬度為15m，礦柱為5m，分層高度4m，控頂高度在6m左右時，圍巖、頂板是穩定的，回采作業是安全的；

（5）數值模擬結果表明，FLAC3D能有效的模擬礦石回采過程，其研究結果為掛幫礦合理、安全、經濟的回采提供了參考依據.

參考文獻

[1]孫恒虎.當代膠結充填技術.北京：冶金工業出版社，2002.

[2]蔡路軍，等.大冶鐵礦2#掛幫礦開采方法研究.礦冶工程，2006，26（1）：8-13.

[3]虞玨.大冶鐵礦露天高陡邊坡掛幫礦開采技術的研究[D].武漢：武漢科技大學，2005.

[4]胡斌，等.FLAC3D前處理程序的開發及仿真效果檢驗[J].巖石力學與工程學報，2002，21（9）：1387-1391.

[5]鄭友富，等.基于FLAC3D上向水平分層充填采礦法數值模擬[J].云南冶金，2008，37（4）：10-13.

[6]許國富，等.大冶鐵礦尖山2#礦體開采施工設計說明書[R].黃石冶礦工程設計院有限責任公司，2009.