基于FLAC2D的空場嗣后充填法采場結構參數優化*

黃明清，吳愛祥，王貽明，黃明偉，劉文贈

(1.北京科技大學，北京 100083;2.紫金礦業集團股份有限公司，福建 上杭 364200)

1 引言

空場嗣后充填采礦法具有適用范圍廣、資源利用率高、采礦作業安全、回采強度大等優點，在國內外地下礦山得到越來越多推廣和應用［1－2］。空場嗣后充填采礦法中不同的回采順序及結構參數往往導致不同的技術經濟指標及作業安全性。國內外研究者對此進行了廣泛研究，如李凱等人［3］將分段鑿巖階段空場嗣后充填法應用于50～90°的急傾斜薄－中厚礦體，通過中深孔鑿巖及電動鏟運機出礦，使盤區生產能力、礦石貧化率及損失率得到明顯的改善。Karim等人［4］進一步分析了充填材料作為采場礦柱的穩定性，指出當周圍充填體養護齡期超過14天時，空場法開采可持續安全進行。隨后，余海華等人［5］通過數值模擬確定了合理的礦房、礦柱寬度及充填配比，探明了嗣后充填回采充填過程中的采場圍巖應力、應變及塑性區的分布情況，為金山店鐵礦的安全生產提供了理論基礎。

然而，前人的研究多集中于礦房與礦柱尺寸設計、爆破參數選擇及充填材料配比優化等方面，對放礦過程及不同回采階段開采擾動引起的采場穩定性研究較少。不同采場寬度及放礦條件下，采場的應力分布及破壞模式不同。探明回采區域應力集中區域、最大壓應力、最大拉應力的大小和方向、塑性區的分布等參數，對采場最佳尺寸的選擇起到至關重要的作用［6］。鑒于以上問題，本文以緩傾斜中厚礦體的塹溝受礦分段空場嗣后充填法為背景，通過FLAC2D軟件模擬采場在開采前、開采中及開采后的采礦動力學特征，討論應力、位移和塑性區分布規律，以期選擇采場的最佳尺寸及保證回采作業的安全。

2 模型與方法

2.1 開采技術條件

某銅礦床主礦體賦存于透輝矽卡巖礦化層，呈層狀產出。礦體傾向北西，傾角12～40°，平均厚度15m，為典型的緩傾斜中厚礦體。礦體上盤以大理巖為主，角巖化變質石英砂巖次之，質量等級和完整性中等到差;下盤為矽卡巖，質量等級和完整性中等較好。礦體采用塹溝受礦分段空場嗣后充填法開采，階段高度25m，采場垂直走向布置，沿走向寬為32～40m，其中間柱寬5m，采場跨度27～35m，采用間隔式回采方式。

2.2 巖體力學參數

巖體力學參數的選取是保證數值計算結果可靠性的關鍵［7］。對礦體及圍巖進行了物理力學參數測試，包括塊體密度、單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、內聚力、內摩擦角、彈性模量、泊松比、巖石縱向波速等，結果如表1所示。

表1 主要巖石物理力學參數測試結果

2.3 力學模型的確定

假定礦巖為各向同性的彈塑性連續介質。模型兩側限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型上部施加相應埋深的垂直載荷，模型兩側施加相應深度的水平應力，模型變形設置為大變形。根據材料力學特征，模擬中充填體采用理想彈塑性本構模型(式1)，礦巖采用應變軟化本構模型，同時，假定礦巖和充填體均遵循莫爾－庫侖準則。

式(1)～(2)中:fs為破壞判斷系數，當 fs＞0時，材料發生拉伸破壞，fs＜0時發生剪切破壞;σ1、σ3分別為最大和最小主應力;φ為內摩擦角;c為內聚力;ft為壓縮屈服函數;σt為抗拉強度。

2.4 模型及網格劃分

二維模型上下邊界分別選定3350m及3200m，模型高度150m，寬度530～550m，共劃分為44622～49950個網格。模型包含三種采場結構參數，采場沿走向方向寬度依次為32m、36m、40m，如表2所示。每種方案模擬了三個連續采場的回采過程，從左到右依次為1#、2#及3#采場，開采順序為1#采場、3#采場及2#采場。

表2 FLAC2D二維數值模擬采場結構參數表

2.5 模擬分析過程

數值模擬目的是探討不同回采階段開采擾動對采場穩定性的影響，故重點闡述1#采場礦石全部放出、3#采場回采結束(放出一半礦石)和2#采場放出全部礦石后等三種關鍵階段的應力、位移和塑性區分布規律。分析過程依次為:1#采場爆破→1#采場礦石放出一半→3#采場爆破→3#采場放出一半礦石→1#采場放出所有礦石→1#采場充填→2#采場爆破→2#采場放出一半礦石→3#采場放出全部礦石→3#采場充填→2#采場放出所有礦石→2#采場充填。同時，模擬過程中假定尾砂充填的充填體不接頂。

3 結果與討論

3.1 最大主應力

本節討論以方案二為示例。方案二(礦房寬31m、間柱寬5m)1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的最大主應力分布見圖1、圖2和圖3。

圖1 方案二1#采場礦石全部放出后的最大主應力分布

圖2 方案二3#采場礦石放出一半后的最大主應力分布

圖3 方案二2#采場礦石全部放出后的最大主應力分布

從圖1～圖3可看出，出礦階段采區應力主要集中在采場之間的隔離礦柱、采場頂板與隔離礦柱的相交處，其中采場之間的間柱最大主應力值可達30～35MPa，采場頂板與間柱的相交處最大主應力達30～40MPa以上，電耙道周圍及桃形礦柱的最大主應力在5～10MPa之間，但靠近間柱處最大主應力可達15～20MPa。

3.2 最小主應力

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的最小主應力分布見圖4、圖5和圖6。

圖4 方案二1#采場礦石全部放出后的最小主應力分布

圖5 方案二3#采場礦石放出一半后的最小主應力分布

圖6 方案二2#采場礦石全部放出后的最小主應力分布

從圖4～圖6可看出，最小主應力集中分布規律與最大主應力類似，最小主應力為0～2.5MPa，但采場頂板與隔離礦柱的相交處最小主應力最大可達7.5 ～10Mpa。

3.3 塑性區

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的塑性區分布見圖7、圖8和圖9。

圖7 方案二1#采場礦石全部放出后的塑性區分布

圖8 方案二3#采場礦石放出一半后的塑性區分布

圖9 方案二2#采場礦石全部放出后的塑性區分布

從圖7～圖9可看出，此時充填體已進入塑性區。當回采中間2#采場時，電耙道局部出現了塑性區;間柱和頂板局部區域也部分出現塑性區，但塑性區范圍并不大，不影響采場的整體穩定性。電耙道及桃形礦柱區域在其上礦巖的作用下，呈現出一定的塑性區，因此，回采過程中應給予適當支護以保證電耙道及桃形礦柱的穩定性。

3.4 豎直方向位移

方案二1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石后及2#采場放出全部礦石后的豎直方向位移分布見圖10、圖11和圖12。從圖10～12可看出，由于充填體無法接頂，頂板位移隨著回采的進行而逐漸增大，1#及3#采場回采結束后2#采場出現最大豎直方向位移為30～40mm。

圖10 方案二1#采場礦石全部放出后的豎直方向位移分布

圖11 方案二3#采場礦石放出一半后的豎直方向位移分布

圖12 方案二2#采場礦石全部放出后的豎直方向位移分布

3.5 模擬結果討論

方案一及方案三模擬過程與方案二相似，三種方案主要模擬結果如表3所示。

結合三種方案的模擬結果可看出:

(1)當1#采場出礦完畢后，應力集中主要在采場底部結構及間柱，但應力集中程度不高，最大主應力約為10～15MPa。當1、3#采場分別回采結束，2#采場礦石全部放出后，應力集中區主要分布在1#采場左側、3#采場右側以及三個采場的間柱上。其中1#采場左側、3#采場右側最大主應力為10～20MPa，間柱所在位置和頂板相交處最大主應力可達30～40MPa，三個采場之間的間柱上應力最集中，最大值可達10～50MPa;且礦柱保留時間越長，應力集中程度越高。

表3 三種方案開采前后二維數值模擬結果匯總表

(2)最小主應力的分布規律與最大主應力相似，最小主應力一般為0～2.5MPa，局部區域最小主應力可達7.5～12.5MPa。由于采場跨度的增大，方案三在采場頂板出現了0～1.25MPa的拉應力，導致采場失穩。

(3)受大跨度條件下高應力集中的影響，方案三盤區間柱出現了塑性區，說明盤區間柱在高應力集中作用下已產生屈服，進入塑性狀態，并將導致盤區頂板失穩冒落。

(4)豎直方向位移量隨采場跨度的增大而進一步增大，方案三頂板最大豎直位移量達60mm，比方案一增加了20mm。

綜上所述，方案一及方案二開采時采場最大主應力、最小主應力值較小，除充填體外塑性區在電耙道、礦柱及頂板僅有局部分布，同時頂板位移量較小;而方案三頂板出現拉應力破壞，同時礦柱進入塑性區狀態。因此，從作業安全及采場可采礦量角度考慮，方案二為最優方案;此時采場沿走向長度寬36m，其中礦房31m、間柱5m。2011年7月以來方案二一直在該銅礦安全應用，驗證了數值模擬的采場結構參數的可靠性。

4 結論

(1)結合充填體理想彈塑性本構模型、礦巖應變軟化本構模型及莫爾－庫侖屈服準則，FLAC2D軟件適用于矽卡巖礦體空場嗣后充填法采場結構參數的二維數值模擬。

(2)通過模擬1#采場礦石全部放出、3#采場放出一半礦石及2#采場放出全部礦石等三種回采階段應力、位移和塑性區分布規律，表明不同回采階段開采擾動及采場跨度條件下采場穩定性不同，采場沿走向寬度36m以下時最大主應力、最小主應力、塑性區分布及頂板豎直位移在安全范圍之內，采場寬度40m時頂板出現拉伸破壞。

(3)優化后采場結構參數為采場沿走向寬度36m，其中礦房31m、間柱5m，生產實踐證明該方案在安全性及經濟性上滿足了生產要求。

［1］ 任紅崗，譚卓英，蔡學峰，等.分段空場嗣后充填法采場結構參數AHP－Fuzzy優化［J］.北京科技大學學報，2010，32(11):1383－1387.

［2］ 謝永生.分段空場嗣后充填采礦法在巴基斯坦杜達鉛鋅礦的研究與應用［J］.有色金屬工程，2012，(1):39 －43.

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［4］ R.Karim，G.M.Simangunsong，B.Sulistianto，et al.Stability analysis of paste fill as stope wall using analytical method and numerical modeling in thekencana underground gold mining with long hole stope method ［J］.Procedia Earth and Planetary Science，2013，6:474 －484.

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［6］ Xiaoyu Bai，Denis Marcotte，Richard Simon.Underground stope optimization with network flow method［J］.Computers＆ Geosciences，2013，52:361 －371.

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