頂柱穩定性的FLAC3D數值模擬研究

李何林 胡 崴

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

徐樓鐵礦石樓一礦帶位于閃長巖與大理巖接帶，或其附近的大理巖內，沿閃長巖床上下兩側礦體呈水平狀，礦體埋深從60～160m。上覆有第四系巖層，頂底板主要為大理巖和閃長巖，但其厚度較薄。礦體埋藏于侵蝕基準面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體走向基本為東西向，在走向方向，礦體埋藏西高東低，整個礦體分三步回采，一、二步回采礦塊，三步回采間柱和頂柱。

開采防水頂柱，主要是要防止由于頂柱采動，地表或含水層經導水裂隙帶下泄至采空區造成淹井事故，然而，井下開采對頂板巖層以及導水裂隙帶發育高度的影響是個非常復雜的問題，因地質條件不同，不同礦山存在極大差異。本研究借助計數值模擬手段，對徐樓－45 m防水頂柱的回采過程進行分析，為礦山安全、高效開采提供依據和指導。

1 數值模型的建立

1.1 基本假設

(1)巖性，將巖體視為均質、各向同性介質［1］。

(2)初始地應力，徐樓鐵礦，初始地應力場僅按自重應力場考慮。

(3)開挖，礦體開挖過程為一次形成，不考慮時間效應［2］。

1.2 模型的幾何尺寸

X方向為礦體走向方向，取待回采的頂柱長度的3～5倍(700 m);Y方向為礦體傾向方向，取采場推進長度300 m;Z方向為礦體埋深方向，取值大小為400m。模型長×高×寬為700 m×400 m×300 m(見圖1)。

圖1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D M odel

1.3 模型巖體參數的確定

以巖石力學實驗提供的巖石力學數據為基礎，按數值模擬需要，對力學參數進行折減(按類似礦山地下工程經驗及徐樓鐵礦巖體完整性系數，參數折減系數取0.3～0.5)，巖體力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數Table1 The physical and mechanical properties of the rock

1.4 數值模擬計算方案

對－45 m以上防水頂柱分層開采過程采場頂板的受力情況進行分析。由于巖體抗拉強度很低，當采場圍巖中出現拉應力區時，該區域內巖體極易發生張性破壞，破壞范圍與拉應力影響范圍密切相關，故本次模擬主要對頂板巖層最大主應力進行分析，根據頂板巖層的最大主應力的大小及分布情況，確定不同的頂柱回采高度對頂板巖層的穩定性的影響。采用3、6、9 m 3種不同的回采高度分別進行計算，具體情況如表2所示。

表2 數值模擬計算方案Table2 Numerical simulation p lan m

2 計算結果及分析

3 種不同的分層高度開采后，頂板的最大主應力分布特征如圖2、圖3和圖4所示。

由圖2、圖3及圖4分析可知，3種不同分層厚度頂柱回采，其拉應力具有相同的分布規律，拉應力在水平方向分布于整個采場頂板，在豎直方向分布于采空區頂板以上高度約12～15m;最大拉應力位于采場頂板中心位置，并從頂板中心向四周遞減;回采3、6和9 m頂柱時，最大拉應力值為分別為0.60、0.61和0.63 MPa，隨著回采高度的增加，最大拉應力值略有增大。

圖2 回采3m頂柱時最大主應力云圖Fig.2 M aximum principal stress nephogram of 3 m need le stoping

圖3 回采6m頂柱時最大主應力云圖Fig.3 M aximum principal stress nephogram of 6 m needle stoping

圖4 回采9m頂柱時最大主應力云圖Fig.4 M aximum principal stress nephogram of 9 m needle stoping

3 結論

(1)不同厚度頂柱回采其拉應力分布具有普遍規律，隨著回采厚度的增加，拉應力分布范圍和最大拉應力值不會發生明顯的變化，因此，在一定范圍內不同厚度頂柱回采對頂板穩定性影響較小。

(2)根據拉應力的分布情況，可以認為在頂柱回采作業時影響范圍為空區上方約12～15 m的礦巖體。故為保證回采安全，應在采空區與風化帶(風化帶裂隙較發育，與含水層相連)之間至少預留厚度為15 m的礦巖體作為隔離層。

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