基于FLAC3D的某鐵礦采場結構參數優選

田 敏 胡 崴

(1.安徽大昌礦業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

采場頂板是礦山主要的危險源之一，而采場頂板的穩定性是一個復雜的系統工程，受多種因素共同影響[1-2]。某鐵礦地處平原地區，地形較為平坦，平均海拔高度為100 m。礦區巖石的節理裂隙均不甚發育，為致密塊狀，其間的節理裂隙多被石膏和方解石細脈充填，一般脈寬2～4 mm，與巖層斜交，局部為網狀穿插，礦石裂隙率較低，為中等-很堅固的巖石。礦體圍巖主要為磁鐵角閃巖和磁鐵云母片巖等，礦體中夾石巖性與圍巖一致。礦體緩傾斜,采用上向分層充填采礦法回采,隨著開采深度不斷增大,采場頂板穩定性問題逐漸顯現,給頂板暴露面下作業人員及設備的安全造成極大的威脅。

本文通過數值模擬手段，分析研究該鐵礦開采過程中采場頂板的穩定性，從而確定采場最優結構參數，為礦山設計及生產提供技術支撐。

1 模型建立

本次模擬-400 m水平礦體，所建模型標高范圍為-400～-300 m，為模擬上覆巖層的自重應力對計算模型的作用，在模型頂部施加均布荷載[3]。模型長360 m，寬300 m。見圖1。

圖1 數值計算模型

2 礦巖體力學參數

根據礦山的工程地質特征、巖石的物理力學參數以及此次計算的要求，經歸類及工程處理后，考慮了上盤、下盤和礦體3種力學介質，分別為均質混合巖、角閃片麻巖及磁鐵礦石，礦巖體力學參數見表1。

田 敏(1984—)，男，助理工程師，237400 安徽省霍邱縣經濟開發區。

表1 礦巖體力學參數

3 數值模擬計算方案

根據礦山的工程地質條件、礦體賦存條件，模擬開采過程中頂板圍巖、礦柱的穩定性及采場充填后圍巖應力變化。針對相向進路上向分層全尾砂膠結充填法，模擬不同的采場結構參數組合方案，確定最佳的進路寬度及分層高度。采場結構參數見表2。

表2 采場結構參數 m

4 模擬計算結果及分析

4.1 應力變化情況

通過模擬分析得出不同進路寬度和分層高度下開采與充填過程的應力和位移云圖。限于篇幅，本文僅以采場進路長度為50 m，采場進路寬度為5 m，采場進路分段高度為上分層高度3.5 m，下分層高度4.5 m為例，說明開采和充填過程中的應力變化情況。其中，一步驟上分層和下分層開采后的應力等值線云圖見圖2。可以看出，受拉區域主要位于采場頂底板，最大拉應力約0.75 MPa，礦柱中產生壓應力集中。下分層礦體開挖后，采場兩幫出現小范圍拉伸區域，最大拉應力區域仍位于頂部和底部，頂底板最大拉應力有所增大，約1.02 MPa。

圖2 一步驟開挖最大主應力等值線云圖

一步驟開挖完畢即進行充填，充填完成后的最大主應力等值線云圖見圖3。可知，采場頂底板、兩幫及充填體處于受拉狀態，與一步驟上下分層開挖時相比，最大拉應力有所減小。可見充填可改善頂底板的受拉情況，減小冒頂及底鼓的產生。

充填完畢進行二步驟礦體開挖,二步驟開采時最大主應力等值線云圖見圖4。可知，在采場頂板上部及下部產生整片連續的拉伸區域，且頂板最大拉應力值較一步驟開挖時有所增大，因此，在二步驟開采過程應加強對拉應力集中區頂板的支護。

圖3 一步驟充填最大主應力等值線云圖

圖4 二步驟開挖最大主應力等值線云圖

4.2 采場結構優化

不同參數組合下頂板最大拉應力值的變化情況見圖5。可以看出，不同的參數組合模型頂板最大拉應力值均隨著一步驟開采與充填逐步降低，但當二步驟開采時，頂板最大拉應力值顯著提高，最大值為1.3MPa左右，后隨著開采與充填逐步降低。這表明，二步驟開采較一步驟開采更易產生拉伸破壞而導致頂板垮落，充填可有效降低拉應力集中，從而保護頂板。采場寬度一定時，下分層高度越大，頂板拉應力值越小，因此，下分層高度選用4.5m。當分層高度一定時，采場寬度越大，頂板拉應力值越大，而在確保頂板受拉應力較小，不產生拉伸破壞的前提下，應避免回采過程中頂板拉應力值發生較大幅度變化。當采場寬度為4m，下分層高度為4.5m時，一步驟上分層與下分層開挖過程中，產生了較大的應力突變，采場寬度為5m和6m

時，一步驟開挖過程中，應力變化相對較小，考慮采場寬度為5 m時產生的拉應力值更小，因此，選取進路寬度為5 m。

圖5 頂板最大拉應力變化值

5 結 論

礦山采用相向進路上向分層全尾砂膠結充填法開采，通過對開采過程模擬分析可知，一步驟開采過程中頂板所產生的拉應力較小，頂板穩定性情況較好，充填可改善采場頂板的受力狀況，減少冒頂及底鼓的產生。二步驟回采時，頂板最大拉應力較一步驟回采時有所增大，且接近巖體抗拉強度，頂板穩定性情況較差，應加強對采場頂板的監測與支護工作。通過對6種不同采場結構參數模擬分析，確定礦山采場進路寬度為5 m，上分層高度為3.5 m,下分層高度為4.5 m為最優結構參數。

[1] 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.

[2] 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.

[3] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.