某鐵礦間柱回采穩定性數值模擬研究*

婁廣文　胡　崴

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;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)

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某鐵礦間柱回采穩定性數值模擬研究*

婁廣文1,2,3胡崴1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;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)

摘要利用FLAC3D軟件，對某鐵礦間柱回采過程進行數值模擬分析。通過對比不同寬度礦柱、礦房條件下采場頂板的最大主應力、位移及其分布情況，判斷頂板的受力和穩定情況。模擬結果表明，采用雙礦柱布置時，中間礦房頂板所受的拉應力和位移都明顯大于兩側礦房，在生產實際中應加強對中間礦房頂板的支護和監測。在一定范圍內，通過減小礦房寬度以及增加礦柱寬度可有效改善頂板的受力情況，減小垂直位移的產生，但隨著礦房寬度的繼續減小，頂板受力條件改善情況則明顯減弱，通過對不同方案對比分析，確定了合適的間柱回采方案，以指導礦山生產。

關鍵詞間柱頂板FLAC3D數值模擬穩定性

某鐵礦體位于大理巖與閃長巖接觸帶，或其附近的大理巖內，屬接觸交代矽卡巖型礦床，呈一大型透鏡體。礦體埋藏淺，58～162 m，由東北向西南逐步變厚，礦體沿大理巖床上下兩側大致呈水平狀，在閃長巖頂部界面隆起時，礦體呈半月形凸鏡體。整個礦體埋藏在走向方向,西高東低，上部被第四系、巖層覆蓋，一般厚40～75 m，頂底板主要為大理巖和閃長巖，較薄。礦塊沿走向劃分，長50 m，間柱寬12 m。沿礦體傾向方向將礦塊劃分為礦房和礦柱，寬度均為10 m。整個礦體分三步回采，一步回采礦房、礦柱，采用分段空場法回采，嗣后充填；二步回采間柱；三步在有條件的情況下適當回采頂柱。

在礦山生產中，間柱作為采場傾向方向的垂直支撐體，承擔上部地層垂直方向的地壓，保證回采作業安全。目前礦房回采已接近尾聲，礦山計劃回采間柱，根據計算，間柱總礦量約為102.53萬t。本文通過數值模擬手段，對不同的間柱回采方案進行對比分析，確定最佳回采方案，在保證安全的前提下多采礦，提高資源利用率。

1模型建立及基本假設

根據間柱跨度、厚度以及回采高度建立三維模型，模型尺寸為600 m×100 m×100 m(長×寬×高)。基本假設如下：

(1)將礦體和圍巖均視為各向同性的連續介質[1]。

(2)由于礦山未進行原巖應力測定，故此次計算原巖應力時忽略構造應力，按照自重應力計算[2]。

(3)對間柱模型進行適當的簡化，假定礦房、礦柱均為矩形[3]。

(4)開挖過程一次性完成，不考慮時間效應[4]。

2模型巖體參數的確定

通過巖石力學實驗，得到了相關巖石力學參數。但為了提高數值模擬的準確性與可靠性，需考慮節理、裂隙等結構面的影響。因此，以巖石力學實驗提供的數據為基礎，對力學參數進行工程處理[5-6]，考慮了4種力學介質：第四系表土層、上盤巖體大理巖、礦體、下盤巖體閃長巖，處理后的巖體力學參數見表1。

表1　巖體物理力學參數

3模擬計算方案的確定

由于間柱垂直礦體走向，跨度較大，若全部回采有可能影響采場頂板的穩定性，所以間柱回采時需要保留部分礦柱，以維持采場頂板的穩定。數值模擬分析將從力學穩定性角度優化間柱回采時的礦房寬度及礦柱寬度。

受礦體分布及礦塊布置影響，間柱跨度變化較大，因此，對不同的跨度采用不同的模擬方案，對采場頂板以及礦柱的受力情況進行對比分析。預留礦柱采用單礦柱和雙礦柱2種方案。對于跨度不大的間柱采用單礦柱，對于跨度較大的間柱采用雙礦柱。本文僅對跨度較大的間柱回采進行模擬分析，即采用雙礦柱方案。間柱開采終了平面見圖1，模擬參數選擇見表2。

圖1　開采終了水平切平面

表2數值模擬計算方案

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4模擬計算結果及分析

3種不同參數的礦房開采后，頂板的最大主應力分布特征見圖2?？芍?，3種方案條件下回采，采場頂板均受到一定的拉應力，中間礦房頂板所受的拉應力明顯大于兩側礦房，最大拉應力位于中間礦房頂板中心位置。隨著礦柱寬度的增加以及礦房寬度的減小，最大拉應力值逐漸減小，分別為1.84，1.51，1.37 MPa。

圖3為不同寬度礦房、礦柱條件下垂直位移等值線云圖。可以看出，采場頂底板產生了一定位移，位移方向均指向采場。3種不同方案頂底板位移分布具有相同的規律，中間礦房的頂板位移明顯大于兩邊礦房，最大位移處位于中間礦房中心位置，幾乎布滿整個采場頂板。隨著礦柱寬度的增加以及礦房寬度的減小，頂板最大位移逐漸減??；底板位移分布大體相同，最大位移處位于底板中心位置，并向周圍遞減。

5結論

(1)礦房寬度分別為39，37，35 m時，最大主應力分別為1.84，1.51，1.37 MPa，最大拉應力值逐漸減小，減小幅度也明顯減小，說明在一定范圍內，減小礦房寬度能有效改善頂板的受力情況，隨著礦房寬度繼續減小，頂板受力條件改善情況則明顯減弱。

圖2　不同寬度礦房、礦柱條件下最大主應力等值線云圖

圖3　不同寬度礦房、礦柱條件下垂直位移等值線云圖

(2)礦房寬度為39m時，頂板受到的最大拉應力值為1.84MPa，接近頂板巖體的抗拉強度1.89MPa，由于數值模擬未將采礦作業所帶來的采場擾動考慮在內，因此，為保障采場頂板安全穩定，建議采用方案Ⅱ，即礦柱寬15m,礦房寬37m。

(3)根據對最大主應力以及垂直位移分析可知，中間礦房頂板為最大拉應力及最大位移集中區域，采場頂板穩定性狀況相對兩邊礦房較差，在實際生產中應加強對中間礦房頂板的支護和監測。

參考文獻

[1]何忠明，彭振斌,曹平，等.雙層空區開挖頂板穩定性的FLAC3D數值分析[J].中南大學學報:自然科學版，2009,40(4):1066-1071.

[2]周偉永，饒運章，汪宏，等.基于FLAC3D的采場穩固性數值模擬研究[J].礦業研究與開發，2014,34(2)；13-17.

[3]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]李小雙，李耀基，王孟來.不同開采礦層數目深部磷礦體地下開采礦壓活動規律的FLAC3D數值模擬研究[J].有色金屬:礦山部分，2014,66(1):14-17.

[5]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：水利水電出版社，2009.

[6]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：水利水電出版社，2011.

(收稿日期2015-11-09)

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2011BAB07B01)。

婁廣文(1971—)，男，工程師,243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。