上向分層充填法采礦的數值模擬研究

胡麗珍 李云安 雷 銀 王欽剛 王 偉 劉 莎

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430070)

上向分層充填法采礦的數值模擬研究

胡麗珍 李云安 雷 銀 王欽剛 王 偉 劉 莎

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430070)

為了科學地評價礦區在水巖耦合條件下采礦過程中的礦柱穩定性以及地面沉降問題，避免工程經驗類比法的不確定性和隨意性，在工程地質勘察以及巖體物理力學試驗的基礎上，運用應力和位移的統一場理論，以司家營鐵礦為工程背景，利用礦段的工程地質剖面圖，在有限元數值分析軟件ANSYS中建立精細的三維數值計算模型，導入FLAC3D數值模擬軟件進行礦區在水巖耦合條件下的數值模擬，最后獲得地表沉降云圖、礦柱的應力云圖以及滲流場的矢量分布圖。在此基礎上對礦山開挖過程中的地面位移、礦柱應力和滲流場的分布特征進行了分析，對上覆巖層及地表變形和礦柱承受的應力狀況進行預測。最終成果不僅可以對現階段礦山的開采過程提供一定的科學依據，同時對礦山的安全生產具有重要的指導意義。

上向分層充填法 數值模擬 礦柱穩定性 地面沉降 水巖耦合

目前，我國金屬礦山采用的采礦方法以上向分層尾砂充填連續采礦法為主，它是采取自下而上分層回采，每分層先采出礦石，而后填入充填料，以支撐采空區兩幫和作為工作平臺。在采用充填連續開采的采礦工藝時，采場礦柱穩定性以及地面沉降一直是國內外礦山工作者研究的重點[1]。在進行大面積地下采礦時，影響這兩方面問題的重要因素之一就是水[2]。任何地區的地下巖層中都存在有大量的地下水，這些地下水在其運動的過程中會產生動水壓力作用于地下巖土體，從而影響巖土體重地下應力場的分布；同時，由于地下應力場的重新分布又會反過來作用于巖土體，使得巖土體中產生新的裂縫并使原來的已經存在的裂縫產生變形，從而影響地下水在巖土體中的流動，使得滲流場產生變化，這種反復循環的過程就稱為水巖耦合[3]。在水巖耦合的作用下,進行地下連續充填法采礦時，會誘發地下巖土體產生不同程度的下陷，此時就會造成地面沉降，過大的地面沉降會使得地面上的各種建筑物產生一定的變形和破壞，同時已有的地下應力場因采礦擾動會形成二次應力場，像上述循環過程第二階段一樣，應力場的改變會導致地下水滲流場的重新分布，從而誘發礦山的地下水災害[2]。針對這些安全要素的考慮，司家營鐵礦南區的開采就需要解決水巖耦合的問題，其上覆第四系含水層水量巨大，而這其中水和巖石的相互作用又勢必會影響采場礦柱的穩定性和安全性。為了使礦山的開采過程中保證一定的穩定性，優化采礦，為此，有必要進行專門的流固耦合分析，采用工程地質數值模擬的方法來研究采空區的變形位移，為礦山地下開采施工設計與指導施工提供一定的科學參考。近幾年慢慢發展起來的在工程技術領域內常用的FLAC3D程序能模擬巖體從小變形到大變形以及破壞全過程，是一種很有效的數值計算手段[4]。而且本研究中的礦柱穩定性以及地面沉降是一種應力和位移的統一場問題，運用傳統的數學理論或程序只可以解決單一的應力或位移，而FLAC3D就可以解決此類統一場問題。因此根據流固耦合作用機制，綜合選用ANSYS和FLAC3D2種軟件進行河北灤縣司家營鐵礦南區采場穩定工程地質數值模擬研究。通過模擬對上覆巖層及地表變形進行預測，獲得采空區上部的變形位移，為礦山開展下階段的工作提供參考。

1 礦區工程地質條件

礦區位于灤河侵蝕堆積洪沖積平原區，亞區屬于灤河河漫灘階地，主要分布于現代河床兩側，沿河流走向多成條帶狀分布，西北高東南低，地勢較平坦，其大部分區域被第四系地層所覆蓋，地層主要為全新統和中更新統地層，地表巖性為粉砂、粉土和粉質黏土，下部為礫卵石，局部有湖沼相淤泥沉積。據對礦區及周邊區域的水位調查，除局部地下水埋深小于3.0 m外，大部分區域地下水埋深均大于6.0 m，含水層巖性為粉細砂和礫卵石。

鐵礦體賦存于太古界變質巖，巖性主要為片麻狀混合巖和黑云變粒巖，礦體圍巖以太古界遷西群白廟子組混合巖、混合花崗巖和變粒巖為主。礦體與圍巖產狀一致。上覆80～140 m厚第四系松散沉積物，淺部巖層為風化帶，其巖石經過風化過程后基本十分破碎，抗拉以及抗壓強度均較低；位于風化帶以下的深埋礦體，節理、裂隙均不發育，巖石致密堅硬，工程性質較好[5]。整個礦區的地層分布如圖1所示。

圖1 整體模型Surfer地層分布Fig.1 Surfer stratigraphic distribution of whole model

2 工程地質數值模擬

為了實現水巖耦合條件下礦體開采過程中礦柱穩定性和地面沉降的研究，選擇位于司家營鐵礦南區大賈莊礦D38線以北、D46線以南礦體來進行流固耦合的數值模擬。

2.1 基本假定

由于開采工作在地下進行，采場附近巖體構造情況復雜，且有多種因素影響其穩定性，在數值模擬過程中，不可能考慮全部的影響因素，因此，在保證結果精確可靠的前提下，忽略次要因素，做出以下假定和概化。

(1)假定模擬區域的巖土體和充填體均為各向同性連續介質，滿足摩爾-庫侖模型。

(2)數值模擬計算過程中，對模擬范圍內的破碎帶等，采用降低其相應的強度參數,以弱單元的方式來處理。

(3)模擬過程中，不考慮動荷載以及各種復雜應力的作用，只研究礦區巖土體在重力、地應力以及滲流力作用下的水巖耦合[6]。

2.2 數值模型的建立

基于司家營鐵礦南區的開采設計，大賈莊礦段D38線以北、D46線以南礦體采用上向分層充填法。沿礦體走向劃分盤區，盤區長度200 m，寬為礦體厚度，高100 m，盤區內沿走向每隔100 m設4 m厚間柱，間柱不回收。在盤區沿走向方向平均劃分為4個采場，每個采場長48 m。建立了大賈莊礦段礦體的數值滲流分析三維數值模型。對于整個礦區的開挖范圍，在深度方向上，考慮到數值計算模型的邊界效應，使用2倍的開挖階段厚度作為范圍，即900 m。在Y軸走向方向上，以1個盤區的長度為范圍，即200 m。于是，在此基礎上，定義三維數值模型的范圍為長×寬×高=1 520 m(X軸，東西方向)×150 m (Y軸，礦體的南北走向)×900 m (Z軸，垂直方向)。

對研究區進行了大量的野外實地地質勘察，了解了該礦區的詳細工程地質條件，在此基礎上，分析已有的數據資料和現階段勘察獲得的新的地質信息，在ANSYS建立模型的過程中劃分了7個工程地質巖土組，通過原位試驗以及各種物理力學試驗等資料，在獲取大賈莊礦段工程地質巖土組物理力學參數的基礎上，建立了所要計算的工程地質數值模型。所劃分的7個巖土組，在FLAC3D中從1～7依次為礦體完整性較差巖組(Ⅲ-2)，尾砂填充體，礦體圍巖完整性較差巖組(Ⅴ-1)，礦體圍巖完整性較好巖組(Ⅴ-2)，第四系，強風化層，弱風化層。具體模型見圖 2 和圖 3 所示。

圖2 大賈莊礦段ANSYS數值計算模型Fig.2 ANSYS numerical calculation model of Dajiazhuang mine block

圖3 大賈莊礦段FLAC3D三維網格模型Fig.3 FLAC3D 3D grid model figure of Dajiazhuang mine block

2.3 巖土體的物理力學參數

巖體的強度由多種因素決定,包括結構面的連通性以及強度。通常，巖體強度小于巖塊強度而大于結構面強度。根據現場勘察報告和場地工程地質類比巖土體參數，在選擇時，考慮長期強度和水的侵蝕性，確定各巖土體物理力學參數見表1所示。

3 數值模擬計算結果及分析

3.1 地表沉降分析

由礦體開挖變形圖(圖4)以及沉降等值線圖(圖5)可以看出地面沉降以礦體開挖面以上位移最大，為25 cm，且向兩側呈對稱分布。同時，由盤區采礦區到地表面，地面沉降均為負沉降，且沉降逐漸增大，礦體開挖頂面最大位移為10 cm，而地表面沉降為25 cm。這是因為第四系的地下水蘊含豐富，滲流固結使地表沉降大于開挖頂面的位移[7-8]。

表1 巖土體的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parametersTable of rock mass

圖4 大賈莊礦段開挖面剖面沉降位移云圖Fig.4 Subsidence displacement nephogram of excavation surface profile in Dajiazhuang mine

圖5 大賈莊礦段礦體地表沉降等值線圖Fig.5 Subsidence isoline map of ore body surface in Dajiazhuang mine block

3.2 礦柱應力場分布特征分析

在水巖耦合條件下，從底部采場應力云圖(圖6)可以看出，隨著采礦的進行，間柱上承擔大部分的應力，此時間柱Z方向部分地區應力集中，使得應力最大值為10 MPa。

圖6 大賈莊礦段礦體底部采場Z方向應力云圖Fig.6 The stress nephogram of Z direction at the bottom of the stope in Dajiazhuang mine block

3.3 滲流場分布特征分析

由滲流矢量分布圖(圖7)可以看出，由于開挖擾動引起了孔隙水在地層內部的滲流流動，雖然強、弱風化層的較好隔水效果阻止了孔隙水向采場方發生滲流，但開挖礦體引起的“三帶”產生的裂縫使得有部分地表水會沿著產生的縫隙向下滲透，同時由于開挖引起地下應力場的重新分布，破壞了圍巖區已有的應力平衡關系，在已有裂縫的接觸上產生新的裂縫，圍巖中的地下水會由此流向采空區內部，使其產生大的涌水。

圖7 大賈莊礦段滲流矢量分布圖Fig.7 Seepage vector map of Dajiazhuang mine block

4 結論與建議

4.1 結 論

(1)針對礦柱穩定性和地面沉降的統一場問題，采用三維工程地質數值模擬的方法來模擬礦區在水巖耦合條件下采礦過程中的應力和位移。

(2)地面沉降以礦體開挖面以上位移最大，且向兩側呈對稱分布。同時，由盤區采礦區到地表面，地面沉降均為負沉降，且沉降逐漸增大。

(3)圍巖的滲流場隨著開采的進行而不斷變化。由于開挖擾動引起圍巖部分產生裂隙，影響了孔隙水在地層內部的滲流流動，使得采空區圍巖中的地下水向采空區產生大的流動。

4.2 建 議

(1)礦山開采頂板穩定性和突水涌水具有不可預測性和毀滅性。在加強安全教育的同時，要完善排水設施和設防能力，同時逢掘必探，有疑必探，以確保礦山安全生產。

(2)建議在礦山開采以及基建過程當中，加強礦坑排水量和水位觀測，獲取足夠的水文觀測資料，以便為將來礦區水文地質研究工作提供更多的基礎資料。

(3)礦床開采應及時充填，充填應充分接頂，充填對改善圍巖及礦柱應力分布應力、減小地面沉降的作用非常有效。但由于局部基巖風化巖巖組深度相對較大，最頂部開采水平宜適當降低；同時由于地下水活動強烈，對圍巖穩定性影響大，易產生涌水、坍塌現象，建議進行治水處理。

(4)建議在生產階段應對圍巖的應力、應變及地下水進行監測，查明應力應變的規律，合理布置礦房、點柱尺寸，確保礦山安全生產。

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(責任編輯 徐志宏)

Numerical Simulation on Upward Sublevel Filling Method

Hu Lizhen Li Yun′an Lei Yin Wang Qingang Wang Wei Liu Sha

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430070，China)

In order to make a scientific evaluation of pillar stability and ground subsidence in the mining area under the condition of water-rock coupling in the process of mining，the uncertainty and randomness of engineering experience analogy method should be avoided.On the basis of engineering geological investigation，as well as physical and mechanical test of rock mass，applying the theory of the unity of the stress and displacement field，with the engineering background of Sijiaying iron ore，the engineering geological profile of ore block is used to establish fine 3D numerical model in the finite element numerical analysis software ANSYS.It imports the FLAC3Dnumerical simulation software for numerical simulation of the mine under the condition of the coupling.Finally the surface subsidence maps，the pillar stress cloud maps and the vector distribution of the seepage field were obtained.On the basis of this，the ground displacement，pillar stress and seepage field distribution characteristics in the process of mining excavation，are analyzed to predict deformation of overburden and surface，and the stress of pillar.Final results can not only provide certain scientific basis for mine mining process at present stage，and also has an important guiding significance for mine safety in production.

Upward horizontal sublevel filling method，Numerical simulation，Pillar stability，land subsidence，Water-rock coupling

2013-11-09

胡麗珍(1991—)，女，碩士研究生。

TD853.34+3

A

1001-1250(2014)-01-005-04