基于FLAC3D的充填體下礦柱回收方案優選*

徐 恒，王貽明，吳愛祥，李芳芳，張愛卿

（北京科技大學 土木與資源工程學院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

基于FLAC3D的充填體下礦柱回收方案優選*

徐 恒，王貽明，吳愛祥，李芳芳，張愛卿

（北京科技大學 土木與資源工程學院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

頂板失穩是威脅礦山礦柱安全回收的主要問題，某礦山為了確保安全、高效地回收礦柱，需要在礦山選定的四種礦柱回采、充填方案中優選出最優采充方案。結合礦山實際，采用FLAC3D對礦柱回采方案進行分析研究。模擬結果顯示，當充填體強度為2.2MPa時，采場尺寸較小，采用上向分層充填法較為保守，且對于維護采場與充填體穩定性并無顯著優勢，最終選擇回采強度更高的淺孔留礦嗣后充填法。礦山現場試驗結果表明，淺孔留礦嗣后充填法既保證了采場頂板穩定，又有效提高了礦柱回收效率和作業安全。

FLAC3D；礦柱回收；方案優選；穩定性分析；淺孔留礦嗣后充填法

1 引言

采用空場法進行采礦的地下金屬礦山無可避免地會遺留大量礦柱在采空區，而這些遺留礦柱造成礦山大量礦產資源損失［1］，為了更好地利用資源，提高礦山回收率和技術經濟效益，延長礦山服務年限，有必要對之前開采所遺留的礦柱進行回采。但礦柱對于采場穩定性具有重要作用，礦柱回采容易造成采場頂板冒落、圍巖片幫等一系列采場地壓問題，甚至于采空區垮塌，造成資源、設備損失和人員傷亡，因而研究礦山礦柱回收問題，首先需要解決采場穩定性問題，頂板問題又是其中的重要部分。

FLAC3D是專門進行巖土工程數值分析的有限差分軟件，適用于絕大多數的工程力學問題，尤其適用于材料的彈塑形分析、大變形分析、流變預測和施工過程巖土工程的數值模擬，其具有良好的前后處理功能［2］，在采場穩定性研究中有著廣泛的應用。陳雪嘯等［3］通過建立頂板力學模型，運用FLAC3D對膏體充填開采過程中頂板的破壞情況進行數值模擬，以確定承壓水下膏體充填開采的可靠性。李小雙等［4］利用FLAC3D對不同礦體厚度下深部磷礦體地下開采過程中采場、圍巖的穩定性及地壓活動規律進行研究。劉武團等［1］利用FLAC3D對超大采空區下礦柱回收的穩定性問題進行模擬，分析礦柱回采對采場地壓的影響，以區分出可回采礦柱和留存礦柱。朱鵬瑞等［5］利用FLAC3D研究不同充填接頂率下頂板應力與塑性區分布的情況，進而分析接頂率與頂板穩定性之間的關系。艾顯恒等［6］利用FLAC3D對不同厚度頂板進行模擬計算，獲得頂板厚度對采場穩定性、應力分布以及頂板沉降量的影響規律。鄧紅衛等［7］利用midas/gts和FLAC3D軟件對殘礦回收過程中礦柱的水平位移和最小主應力進行模擬分析，為殘礦回采提供了依據。康寶偉等［8］利用FLAC3D對礦山開挖和支護過程進行模擬，分析并比較了全長錨固的預應力注漿錨桿和普通注漿錨桿在控制巷道變形中的不同力學原理。

本文結合國內某礦工程實例，根據礦山設計采用的礦柱回收方案，利用FLAC3D數值模擬手段對礦柱回收過程進行模擬，并對不同方案下頂板穩定性問題進行分析評價，并根據模擬結果，對礦柱回采方案進行選擇，提出經濟上合理、技術上可行的礦柱回收方案，為礦山進行礦柱回收提供新的思路和方法。

2 工程地質概化模型

某鉛鋅礦賦存于安山質凝灰巖中，礦體走向長320m，傾斜延深325m，傾向北西，傾角40～70°，礦體呈透鏡狀，中間厚兩端窄，平均厚度25m，厚度變化較穩定，礦山當前采用淺孔留礦法進行開采，采場垂直礦體走向布置，在礦體兩端窄小部分沿走向布置，階段高度60m，目前主要開采820m、760m兩個中段，礦房尺寸為15m×20m×60m（長×寬×高），礦柱尺寸為9m×20m×60m（長×寬×高）。礦山當前預留頂板尺寸為10～15m，根據生產經驗和采場巖性條件進行調整。礦山實際礦柱及礦房分布示意圖如圖1所示。

圖1 礦房礦柱分布圖

由礦房、礦柱尺寸對比可知，礦柱中所存礦量約占總礦量的1/4～1/5，若礦柱無法回收，將導致大量礦量損失，嚴重降低礦山效益，因而，研究礦柱回收具有重要意義。由于礦山地表為草原，為了避免地面塌陷，礦山當前采用充填法回采980m和920m兩個中段遺留礦柱，兩中段礦房空區已經形成，埋藏深度-130～-250m，在回采礦柱時，首先一步驟充填礦房空區，之后采用上向分層充填法回采礦柱，設計分層高度分別為4m、5m及6m，充填體強度均為2.2MPa。其中980m中段已采用這一方案回采大半，回采效率較低，且充填工藝較復雜、成本較高。

為了提高礦山生產效率，提出從中段一側開始，按照礦柱序號采用淺孔留礦嗣后充填法進行礦柱回采，在礦柱回采前，先充填兩側礦房，再一次性回采礦柱并充填，直至將所有礦柱均回采。但其安全性及對地表塌陷的控制效果受到質疑，因而采用數值模擬對其安全性進行校驗，重點分析、對比開采過程頂板的穩定性，并根據模擬結果提出較為合理的回采方案。

3 數值模擬

3.1 巖石力學參數選取

建模過程中，礦體與圍巖力學參數在室內試驗的基礎上進行折減，其中強度參數按照《建筑地基基礎設計規范GB5007-2002》中的經驗參數進行折減，即完整巖體折減系數取0.5，較完整巖體取0.2～0.5，較破碎巖體則取0.1～0.2。根據現場條件及礦山前期所做穩定性分級情況，上盤圍巖屬于Ⅱ類巖石，質量良，礦體屬于Ⅱ類巖石，質量良，下盤圍巖屬于Ⅲ類巖石，質量中等，則折減系數取值時上盤圍巖和礦體取系數0.5，下盤圍巖折減系數取0.3。另外彈性模量按照巖石的1/3取值［10］，折減后各力學參數見表1。

表1 巖（礦）體物理力學參數

3.2 數值模擬初始模型建立

根據實際條件，結合上下中段的回采情況，利用FLAC3D軟件構建礦山初始數值模型如圖2所示，為了使邊界條件不影響計算，按照模型尺寸取研究對象尺寸3倍的原則［9］，模型研究范圍為880m、820m、760m中段，1號、2號和3號礦柱，以及4、5號礦房，礦房和礦柱分布情況同圖1，3、4號礦房之間為1號礦柱，4、5號礦房之間為2號礦柱，其余礦柱分布同理。

圖2 FLAC3D數值模擬模型

建模過程中，以垂直礦體走向為X軸方向，沿礦體走向為Y軸方向，模型的高為Z軸方向，模型空間尺寸為292m×87m×250m（長×寬×高），共劃分為140000個網格。模型在最大限度地反映原始地質條件和礦體賦存條件的前提下，對模型的部分地質條件進行一定的假設和簡化：在模型內，將巖土層視為均勻連續介質，并根據實際情況，將上、下盤圍巖均統一為安山質凝灰巖（但巖石物理力學性質存在差異），模型在考慮自重應力場的同時還需要考慮礦房的開挖，在空區充填和礦柱回采前進行自平衡處理。模型邊界約束條件設定如下：（1）模型左右邊界定為單約束邊界，取μ=0，ν≠0，ω≠0。（其中μ為X軸方向的位移，ν為Y軸方向的位移，ω為Z軸方向的位移）；（2）模型前后邊界定為單約束邊界，取μ≠0，ν=0，ω≠0；（3）模型底邊界定為全約束邊界，μ=0，ν=0，ω=0；（4）模型上邊界定為自由邊界，不予約束；（5）模型頂部按200m的補償荷載施加，約為6.08MPa；（6）數值模擬過程中采用Mohr-Coulomb本構模型對礦體開采過程進行計算。

3.3 數值模擬方案

根據礦山開采實際情況，為了簡化模擬過程，由于980m中段礦柱已采用上向分層充填法回采大半，因而在模擬中設定980m中段礦柱已全部回采并充填，僅研究920m中段在礦房充填和礦柱回采過程中的模型穩定性情況，以進行礦柱回采方案優選。

在模擬過程中，重點觀測頂板的變形、位移及破壞情況，同時分析模型的整體變形。由于開拓、采準、切割工作在礦房回采前已結束，且礦房回采也已完成較久，間隔時間較長，礦柱與圍巖系統已經形成應力平衡，因而模擬時不考慮開拓、采準、切割以及礦房開采對礦柱—圍巖系統的擾動。分析礦柱依次回采、充填時，頂板中的最大主應力、最小主應力、垂直方向位移量和塑性區面積大小，綜合分析頂板的穩定性問題。

相應的模擬方案有以下四種：

（1）方案甲：采用上向分層充填法回采，分層高度為4m；

（2）方案乙：采用上向分層充填法回采，分層高度為5m；

（3）方案丙：采用上向分層充填法回采，分層高度為6m；

（4）方案丁：采用淺孔留礦嗣后充填法回采，充填高度50m。

3.4 回采方案數值模擬結果分析

3.4.1 最大主應力與最小主應力的分布情況

從圖3～圖5可以看出，在采場充填結束后，隨著分層高度增大，最大主應力和最小主應力積聚程度均呈增大趨勢，尤其是在礦房空區的邊角處，這一應力積聚現象在嗣后充填法方案中體現得更為明顯，積聚區域主要出現在充填區域邊角和頂板、底板中，體現為壓應力積聚，最大值約7MPa，均小于礦體的抗壓強度，即包括頂板在內的采場圍巖可保持穩定。拉應力積聚區域主要在充填體內，但拉應力值均較小，綜合來說，四種方案中充填體受拉伸破壞的危險性均較低。

圖3 分層高度4 m時模型應力分布云圖

圖4 分層高度為5 m時模型應力分布云圖

圖5 嗣后充填法時模型應力分布云圖

另外，根據表2、3可知，隨著分層高度增大，最大主應力和最小主應力總體均呈增大趨勢，而嗣后充填法的最大主應力與最小主應力值雖然大于分層充填法，但相差不大，應力最大值均出現在采空區上方頂板和下方底板區域，在充填體中，甲、乙、丙、丁四種方案應力分布大小相近，最大主應力主要為壓應力，均在1MPa左右，最小主應力值則主要為充填體內大規模分布的拉應力值，其值在0.17MPa左右，從充填體抗壓與抗拉強度可知，在四種方案中充填體均可保持穩定。

由于礦山采場尺寸較小，礦房寬度15m，礦柱寬度9m，造成甲、乙、丙、丁四種開采方案應力分布區別不大，應力積聚程度也不嚴重，礦巖和充填體均可以保持較好的穩定性。

從受力方面分析，甲、乙、丙、丁四種均可滿足頂板與充填體穩定的要求，而考慮采礦效率與礦山效益等原因，丁方案（嗣后充填法）更為適宜。

表2 不同礦柱回采下最大主應力值

表3 不同回采方案下最小主應力值

3.4.2 垂直方向位移量比較

分析不同方案采場中垂直方向上的位移量，能確定不同采充方案對采場的擾動和支承情況。從圖6和表4可以看出，隨著分層高度的增大，采空區周圍礦巖及充填體內垂直方向位移量均呈增大趨勢，主要是在頂板處為下沉，底板處為臌脹，而充填體中大部分為沉降，另外充填體內局部區域出現臌脹變形，也隨方案的變化呈增大趨勢，模型變形最大值達到近20mm，出現在上階段（980m）充填體內，頂板變形值隨不同方案在5～10mm的區域內變化，根據礦山生產經驗，這一變形值說明采場頂板在采充過程中可以保持穩定。

從頂底板變形值而言，四種方案間相差不大，其原因可能是受采場尺寸的影響，不能充分體現出采充方案的優劣性，不過分析充填體變形情況發現，隨著分層高度增大，充填體內出現臌脹變形的區域增大，而充填體在變形破壞時，對拉伸破壞更為敏感，則充填體變形破壞的危險性越來越大，從這一方面看，嗣后充填法方案中充填體發生拉伸破壞的危險性最大。

圖6 不同采充方案下模型垂直位移分布云圖

表4 不同采充方案下不同區域垂直位移最大值

3.4.3 塑性區面積比較

結合前文中不同采充方案下應力顯現與垂直位移變形情況，分析其塑性區的分布，從圖7中可以看出，方案甲、乙、丙塑性區分布情況基本類似，主要集中在充填體頂部及礦房、礦柱充填體交接區域，且方案丙塑性區面積及拉伸變形區域較甲略小，分析認為這與采充循環次數有關，分層高度越低，采充循環次數越多，相應下分層充填體受上分層采充擾動越大，且會明顯出現變形累積。

圖7 不同采充方案條件下模型塑性區分布

而從圖7（d）可以看出，采用嗣后充填法進行采充時，塑性區明顯減少，僅在頂板結構下方局部充填體中出現部分塑性區域。分析認為，在采場尺寸較小，充填體強度滿足采場穩定性要求時（即滿足采場承載能力要求），在空區充填后其他分層的采充擾動也是充填體變形破壞的重要影響因素，從而造成了甲、乙、丙三種方案下充填體的大面積塑性變形。

再分析920中段頂板穩定情況，可以從圖7中看出，在甲、乙、丙、丁四種方案頂板內不存在塑性區，由此可判定，920中段頂板在下方礦柱回采過程中一直保持著穩定狀態。

4 工業應用效果

結合數值模擬結果，選擇應力分布、位移大小以及塑性區面積均較為合理淺孔留礦嗣后充填法進行礦柱回采。在礦山現場選擇3號、4號礦房及1號礦柱進行實驗性生產，采用位移監測手段進行采場地壓監測，主要采用YHW150型頂板位移監測儀及振弦式傳感器，監測對象為920中段頂板和礦房空區的充填體，主要監測在進行1號礦柱回采及充填過程中兩側礦房充填體以及頂板的位移并評價其穩定性，其中振弦式傳感器主要埋設在充填體內。

經過礦山生產試驗表明，礦山采用淺孔留礦嗣后充填法是完全可行的，在1號礦房開采與充填過程中，其頂板結構與兩側礦房充填體位移顯現不明顯，與礦山目前980階段采用4m上向分層充填采礦法進行開采時位移顯現情況無明顯區別，根據礦山生產經驗，此時頂板與充填體均可保持穩定。

從現場試驗結果來看，相應的結果與模擬結果基本一致，即采用淺孔留礦嗣后充填法進行礦柱回采是完全可行的，在滿足了生產安全的同時也符合了礦山對于采礦效率的要求。

5 結論

（1）結合礦山實際，利用FLAC3D模擬軟件，對礦柱回收的四種方案：分層高度為4m、5m和6m的上向分層充填法，以及淺孔留礦嗣后充填法進行優選。模擬結果顯示，隨著一次回采高度增大，模型中最大主應力、最小主應力、垂直方向位移總體呈增大趨勢，但四種方案間區別不明顯。而塑性區域呈現遞減趨勢，采用淺孔留礦嗣后充填法時的塑性區面積最小，且塑性區在采用上向分層充填采礦法時主要分布在充填體頂部及礦房、礦柱充填體交接區域，分析認為在采場尺寸較小，充填體可滿足承載要求時，塑性區分布還與開采擾動具有密切聯系。

（2）頂板在礦柱回采過程中始終保持穩定，根據模擬可知，由于跨度較小，礦柱回采過程中主要是在采場邊角以及頂板區域產生壓應力積聚，但應力最大值均小于礦體的抗壓強度，而在充填體內主要是拉應力分布，即充填體最可能出現的破壞形式是拉伸破壞，在礦山充填時需要保證充填體強度符合要求。

（3）結合FLAC3D的模擬結果，綜合考慮礦山生產效率、經濟效益等因素，選擇淺孔留礦嗣后充填法作為礦山的礦柱回采方案，相應的模擬結果與礦山生產試驗的情況基本符合，對于礦山礦柱回采方案選擇和采場穩定性分析可以起到一定的參考作用。

［1］劉武團, 趙奎, 胡京濤, 等. 某鐵礦礦柱回采安全性研究[J]. 金屬礦山, 2014, 43(8):162-165.

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［6］艾顯恒, 謝建兵, 朱和玲. 地下礦山采場頂板厚度數值模擬研究[J].現代礦業, 2009, 25(4):30-32.

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Optimization of Under Backfll Pillar Recovery Scheme Based on FLAC3D

XU Heng , WANG Yi-ming , WU Ai-xiang , LI Fang-fang , ZHANG Ai-qing
（School of Civil & Resource Engineering, Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）

Roof instability is one of the main problems that threatening safe recovery of mine pillars. In order to ensure the safe and efficient recovery of the pillars, some mines have to select the best scheme of mining and filling in four preselected methods. In this paper, combination with the reality of the mine, softwareFLAC3Dwas used to analyze those ore-pillar stoping scheme. Simulation results show that, when the strength of the filling body is 2.2 MPa, upward filling method is more conservative for undersized stopes, and with no significant advantages for maintaining the stability of the mining field and backfill. Finally, the short-hole shrinkage backfilling method with higher stoping strength is chosen to recovery ore pillars. The field test results show that the short-hole shrinkage backfilling method can ensure the stability of stope roof, as well as improve the pillar recovery efficiency and operation safety effectively.

FLAC3D；pillar recovery；scheme optimization；stability analysis；short-hole shrinkage backfilling method

TD853

A

1009-3842（2016）06-0033-07

2016-07-29

國家自然科學基金資助項目（51574013）

徐恒（1993-），男，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事金屬礦山開采及礦山巖石力學方面的研究。E-mail: zunyixuheng@139.com