博倫七角井鐵礦空場嗣后充填采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

趙永平，孫 利，徐志友

（肅北縣博倫礦業(yè)開發(fā)有限責任公司，甘肅 酒泉 736101）

博倫七角井鐵礦區(qū)位于肅北縣馬鬃山鎮(zhèn)西南，距離柳園鎮(zhèn)60km，為大型鐵礦山，資源條件良好，然而，在多年開采過程中，礦山逐漸出現(xiàn)資源開發(fā)規(guī)劃不明、資源利用率不高、礦量積壓嚴重、井下采空區(qū)安全隱患大等問題，極大地影響了礦山的可持續(xù)發(fā)展。為充分保護和利用礦產(chǎn)資源，博倫七角井鐵礦提出了利用充填法進行回采的思路，為確保回采安全，選擇最佳的充填工藝，需對充填工藝進行研究。

在充填工藝研究過程中，為確保回采安全和研究針對性，七角井鐵礦優(yōu)選數(shù)值模擬技術，擬通過較為貼近現(xiàn)實的數(shù)值模擬技術，研究礦體回采過程中采空區(qū)的穩(wěn)定性。

1 分析方法

七角井鐵礦開采后，沿礦體走向每50m將留下8m寬的礦柱作為支撐作用，礦柱高為3個中段高195m、寬為礦體平均厚度。為了更好的驗證礦柱對頂板的支撐效果以及礦柱自身的穩(wěn)定性，在此采用Flac3D數(shù)值模擬的方式，對東、西區(qū)鐵礦的開挖進行模擬，通過對開挖后礦柱及頂板的應力分布、位移變化等分析，判斷礦柱及頂板的穩(wěn)定性。

（1）模型的建立。①幾何模型根據(jù)礦體實際賦存條件，建立三維幾何模型，其中沿礦體走向為y方向，垂直礦體走向為x方向，鉛垂線方向為z方向。模型沿礦體走向取1000m，垂直礦體走向取150m，垂直高度取800m。單元數(shù)共有243600個，節(jié)點有257517個。②模型邊界條件，對模型采用位移約束，模型左右兩平面進行x方向位移約束，模型前后兩平面進行y方向位移約束，模型底部進行z方向位移約束。于開挖處礦體埋深較淺，約225m，因此原巖應力場主要受自重應力場控制，可忽略構造應力場的影響。③礦巖體物理力學參數(shù)礦巖體物理力學參數(shù)見表1。

表1 七角井礦巖石物理力學參數(shù)測試結果

（2）初始應力場采用彈塑性求解的方法改變強度參數(shù)，進而生成初始應力場，即為了避免計算過程中出現(xiàn)屈服區(qū)域，把抗拉強度與粘聚力設定為大值，采用彈塑性模型求解，至最終計算平衡，再把抗拉強度和粘聚力改變?yōu)榉治鏊捎玫闹担缓笥嬎阒钡阶罱K平衡狀態(tài)。計算結果顯示，模型下邊界豎向應力值為10MPa～10.4MPa。

（3）開采模擬與結果分析。本次模擬主要分為3個步驟，第1步驟是對一個中段礦房進行開采，礦房開采后不進行充填處理，礦房高為65m，待礦房開采完后，計算直至平衡；第2步驟是一個中段礦房開采完后，對礦房進行充填，計算直至平衡；第3步驟是將3個中段礦房全開采完并充填，計算整個區(qū)域的穩(wěn)定性情況直至平衡。第1步驟開采后，、最大主應力云圖分別見圖1。

圖1 步驟最大主應力云圖

從分析可知，，礦房開采后，最大位移發(fā)生在頂板的中央，最大沉降為46.6mm；礦柱的最大位移出現(xiàn)在頂部支撐位置為60mm～80 mm；礦房底鼓最大為20mm～37mm，位于礦房底板的中央。礦房開采后，礦柱的水平最大位移均發(fā)生于礦柱的右側，為4mm，方向為Y軸的負方向，即向左側發(fā)生的位移，而左側礦柱未發(fā)生位移。塑性區(qū)主要分布于礦房的頂板、底板還有礦柱的底部和兩側位置。其中礦房頂板和底板主要在開采過程中產(chǎn)生的塑性變形，破壞方式主要為拉伸破壞；礦柱的底部和兩側主要發(fā)生的是剪切破壞，礦柱底部塑性區(qū)比例較大，并且仍在發(fā)生破壞，存在一定安全隱患。從最大主應力圖可知，應力集中區(qū)域為礦柱的底部位置，最大壓應力為10.5MPa。綜上可知，將1個中段礦房開采完不進行充填的情況下，留8m礦柱存在一定的安全隱患，礦柱底部局部會發(fā)生破壞，可能難以長時間保持穩(wěn)定。

第2步驟開采后，豎向位移云圖、水平位移云圖分別見圖2～3。

圖2 2步驟豎向位移云圖 圖3 2步驟水平位移云圖

從豎向及水平位移云圖可以看出，空區(qū)頂板最大下沉量為48 mm,礦柱沿礦體走向方向（Y方向）的最大位移1.7mm。由計算結果可知，充填體有效的限制了礦柱的水平位移，也有效地控制了頂板下沉量的繼續(xù)增加。

應力集中區(qū)域為礦柱的底部位置，最大壓應力為10Mpa，塑性區(qū)域沒有出現(xiàn)新的增加，并且礦柱底部已不再產(chǎn)生新的剪切破壞，說明充填后，礦柱已趨于穩(wěn)定，充填體對礦柱的水平位移起到了很好的限制作用。

第3步驟開采后，豎向位移云圖、水平位移云圖、塑性區(qū)分布、最大主應力云圖分別見4～7。

圖4 3步驟水平位移云圖 圖5 3步驟豎向位移云圖

從豎向位移云圖和水平位移云圖可以看出，應力重新分布、達到新的平衡狀態(tài)后，頂板的最大沉降量為53mm，比第二步計算結果只增加了5mm；礦柱在沿Y方向的位移變化為3.4mm。

從最大主應力應力云圖可知，應力集中區(qū)域為礦柱第1步開采后的塑性區(qū)貫通位置和礦柱的最底部位置，最大壓應力為12.2MPa。

從塑性區(qū)分布圖可知，礦柱靠近底部兩側位置增加了部分塑性區(qū)域，但并未貫通，也未出現(xiàn)新的破壞。

圖6 3步驟最大主應力云圖 圖7 3步驟塑性區(qū)分布

2 小結

綜上可知，第1步驟開采后，礦柱的底部出現(xiàn)了剪切破壞，存在一定安全隱患；第2步和第3步開采，由于充填體的影響，很好的限制了礦柱的水平位移，礦柱未發(fā)生更大的變形；頂板沉降量也未發(fā)生突變。因此，采用嗣后膏體非膠結充填可有效保證礦柱的穩(wěn)定。