某銅礦水平礦柱穩定性數值模擬分析

黃惟盛，劉 波

(1.江西銅業集團公司武山銅礦，江西瑞昌 332204;2.龍橋礦業有限公司，安徽廬江 231500)

1 引言

礦區在開采過程中，因階段高度較高，為確保采場及空區的穩定，在-385～-400m之間預留15m厚的水平礦柱。水平礦柱西厚東薄，垂直厚度15m，寬度為15～45m，平均寬度30m左右，長度350m左右。-385m中段以上礦體順利地實現了礦房、礦柱兩步驟回采，充填體未出現大面積的坍塌垮落，水平礦柱的留設取得了一定的經濟效益。目前，處于充填體下的水平礦柱，上部承載的充填體高度達到140m，再加上受水平作用力的影響，其穩定性狀態如何不得而知。下部礦體尤其是礦柱回采，對水平礦柱的穩定性影響程度無從考證，因此，研究深部開采對水平礦柱產生的影響，對指導礦山的安全、高效開采，具有重要的工程實用價值。針對FLAC3D前處理能力不足的缺陷導，本文采用基于surpac的FLAC3D模型自動生成的方式建立數值模型。

2 數值計算模型

2.1 模型構建

FLAC3D前處理能力不足的缺陷導致在建立相對比較復雜的三維地質體時顯得比較棘手，通常采用的方法是對模型進行簡化，但過度的簡化使得數值模擬的結果變得不那么可靠［1］。因此尋找一種快速準確的建模方法有一定的工程意義。礦業軟件surpac顯示出建模方面的優勢，能精確、快速地建立復雜的三維地質模型。采用surpac建立塊體模型，給塊體模型各單元賦以坐標等屬性數據，將塊體模型以數據文件的形式導出，利用access對導出的數據進行編輯轉化成FLAC3D識別的數據格式，再通過FLAC3D中的impgrid命令調入數據建立FLAC3D數值模型［2-3］。整個模型自動生成技術路線如圖1。

圖1 模型自動生成技術路線

根據礦體的賦存范圍，選取0線到20線之間共計14張地質剖面圖，各中段共計12張平面圖。將地質剖面圖、中段平面圖進行編輯轉化、轉換坐標使二維CAD平面圖轉化成surpac建模所需擴展名為.str的三維線串文件。再通過線文件建立實體模型。兼顧計算精度和計算量，對最小單元格尺寸定為5m×5m×5m。根據實體模型的范圍建塊體模型，并對其約束即可得到礦體的塊體模型。根據實體模型約束條件，將塊體模型以數據文本的形式導出。

將導出的數據文本用access數據庫進行編輯處理成impgrid調用的格式數據，利用FLAC3D命令impgrid調入編輯好的數據，生成FLAC3D數值模型。將模型向外圍發散原有的3～5倍，得整體的數值模型(如圖2)。

圖2 幾何模型沿礦體走向縱剖面圖

2.2 地應力及邊界條件

參照文獻［3］中的實驗數據，礦區地應力場回歸方程如下:

上式中:σ1，σ2，σ3分別為最大及最小水平主應力、垂直方向主應力的值，H為礦體賦存深度。

采取左右兩端邊界約束水平方向的位移，底部約束Z方向的位移的邊界限制。初始應力采取在計算區域內直接賦值，垂直方向施加，水平面的兩個邊界應力根據最大主應力的方向分別施加作用力。

2.3 介質力學參數

數值模擬涉及的材料主要有矽卡巖、蝕變閃長巖、大理巖、礦體、充填體。這其中上盤圍巖中的矽卡巖含量較低且力學參數和閃長巖相類似，因此將上盤圍巖的巖性歸屬于閃長巖一類。上述三類巖體的力學參數室內巖石試驗經巖體工程化處理所的［4］。充填體分為膠結充填體及尾砂充填體兩種參見文獻［3］。數值模擬的全部材料力學參數參見表1［5］。

表1 各種材料類型的力學參數

本次數值模擬將四種主要材料類型的本構關系均假設為理想彈塑性體。屈服準則采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulolomb)準則，允許巖石產生大變形。

3 模擬結果分析

為客觀分析水平礦柱下部中段礦體開采對其產生的擾動程度［6］，先根據礦山原有的開采模式模擬目前累積開采狀態，再對深部礦體的回采進行模擬［7］。本次模擬的重點為-510、-460兩個中段礦體的回采，隨著更深部的礦體發生了轉向，其開采擾動對水平礦柱的影響可以忽略不計。根據礦山現有回采的總體原則，參照礦體歷史開采順序模擬礦體的累積回采，及下兩個中段礦體的開挖對水平礦柱的影響。

FLAC3D數值模擬結果能輸出各種力學效應數據，本次數值模擬針對深部開采擾動對水平礦柱的影響，受限于篇幅，對模擬的結果重點分析兩個中段礦體回采之后水平礦柱底板的位移、最大及最小主應力、塑性區等力學效應。

3.1 最小主應力

在-510中段采礦活動結束后，水平礦柱礦體4線以東的范圍最小主應力降低比較明顯，從圖3可以得出，其最小主應力值為 -10.00MPa～-12.54MPa，該部分區域應力釋放值約為7.00 MPa，上述應力變化都是水平礦柱整體穩定性良好的基礎上產生的。在4線以西較厚大礦體區域，采區范圍所對應的水平礦柱上下盤圍巖的邊界處存在明顯的應力集中現象，即水平礦柱上、下盤邊緣范圍內的區域，其最小主應力值為-27.00～-28.34 MPa。在沿礦體走向方向水平礦柱的兩端圍巖應力集中區域范圍較其它邊界區域范圍大，下盤應力集中程度比上盤大。

由圖4可以看出，-460中段礦體回采之后，最小主應力降低區范圍明顯增大，其值為-10.00～-15.00MPa，應力降低區域釋放應力大約為5MPa。應力集中區域有所減少，主要集中在0線附近，最小主應力值為-30MPa左右，說明-460中段礦體開采完畢之后，水平礦柱的應力有向下部充填體轉移趨勢，對水平礦柱的應力有一定卸載作用，這對水平礦柱的穩定性是有利的。

圖3 -510中段回采后水平礦柱底板最小主應力

圖4 -460中段回采后水平礦柱底板最小主應力

3.2 最大主應力

由圖5可以得出，-510中段礦體回采之后在上部采區所對應的水平礦柱中的區域范圍最大主應力降低明顯，最大主應力降低區域的形態分布特征受上部采場范圍的影響。水平礦柱因上部1線至2線間厚大礦體的開采，采區暴露面積相對較大，水平礦柱巖體的最大主應力值降低比較明顯，頂板圍巖的最大主應力值為-4.00～-2.00MPa。采區所對的頂板與上、下盤圍巖等接觸處存在最大主應力升高區，或者最大主應力輕度集中區，主要集中于礦體走向的東西端部圍巖中和0線的下盤圍巖中，其最大主應力值為-11.8～-10.00MPa。水平礦柱底板出現拉應力，但出現的區域及拉應力值都不是很大。由圖6可以得出，-460中段礦體回采之后，最大主應力集中區域有所增大，但增大范圍較小，最大主應力值為-12.8～-11.00MPa。最大主應力降低區域也有所增大，主要集中在西部0線及2線厚大礦體開采范圍內。拉應力區域增大，也集中在西部0線及2線厚大礦體開采范圍內，拉應力值增加，但增加值較小，水平礦柱仍在穩定的范圍內。

圖5 -510中段回采后水平礦柱底板最大主應力

圖6 -460中段回采后水平礦柱底板最大主應力

3.3 位移分析

水平礦柱的破壞主要體現在垂直位移量的突然增大，因此只分析垂直位移的結果。由圖7可以看出-510中段回采后水平礦柱底板產生Z方向位移在4線以西，8線以東呈下沉狀態，在4線至8線之間呈上升趨勢，這是由于水平礦柱受上部壓力，作用于水平礦柱的外壓力轉移，使得礦柱內部變形能向外釋放，產生下沉變形，并且下沉變形是水平礦柱以后變形的主要形式。最大下沉區域分布呈類似長橢圓形，位移3線至0線之間下盤，橢球的長軸方向與礦體走向基本一致，長軸為200m左右，短軸為100m左右;下沉區域的位移最大值為-2～-2.96 mm，主要集中于1線與0線間厚大礦體范圍內，礦體回采后采空區面積較大，造成下沉位移也較大。位移上升區域的最大位移值為3.47mm。水平礦柱產生垂直位移的區域范圍內，東部的范圍比西部的大，但位移最大值基本相同。由圖8可以看出，-460中段礦體回采完之后，水平礦柱最大沉降值變化較大，最大值達到了-1.07cm，區域主要集中在1線至2線之間，范圍較-510m中段回采后有明顯增大，說明-460m中段礦體的采動影響比-510m中段礦體回采要大。水平礦柱上升區域及值基本都沒有變化。雖然水平礦柱沉降值變化較大，但總體垂直位移值偏小，水平礦柱仍處于穩定的范圍內。

圖7 -510中段回采后水平礦柱底板垂直位移

圖8 -460中段回采后水平礦柱底板垂直位移

3.4 塑性區分析

圖9顯示-510m中段礦體回采之后，水平礦柱底板區域的塑性區域比較大，主要集中在0線及2線之間，基本上還是剪切破壞為主，內部塑性區基本上沒有變化。圖10顯示-460m中段礦體回采之后，水平礦柱底板塑性區域增大范圍比-510m中段礦柱回采后產生的塑性區要大，新增塑性區主要集中在西部礦體厚大區域，這說明西部厚大礦體的回采擾動對水平礦柱的影響較大，內部塑性區和前一個中段回采相比基本上沒有變化，這說明水平礦柱的塑性區域依然沒有向內部發展的趨勢，因此可認為水平礦柱仍在穩定的態。

圖9 -510中段回采后水平礦柱底板塑性區

圖10 -460中段回采后水平礦柱底板塑性區

4 結論

(1)利用surpac軟件建模簡便、快捷的特點，提出基于surpac的FLAC3D自動生成復雜礦體計算模型的方法，克服了FLAC3D前處理能力不足的問題。這使得數值模擬更接近實際的情況，模擬結果更準確、可靠。

(2)水平礦柱在西部范圍內產生一定的應力集中，東部應力較為平穩。水平礦柱的破壞區域西部較東部范圍大，破壞的方式主要為剪切破壞。

(3)下部礦體的回采對水平礦柱的擾動會產生一定的影響，其中西部區域厚大礦體采場的回采擾動要大于東部礦體的回采，-460m中段礦體回采擾動影響要大于-510m中段礦體的回采。

(4)水平礦柱東部區域的穩定性要優于西部區域，下部礦體的回采對水平礦柱的穩定性產生一定的影響，水平礦柱整頂底板塑性區范圍增大，但內部未出現塑性區域，因此整體的穩定性良好，不會在下部礦體的回采過程中出現失穩現象。

［1］彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

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