大紅山銅礦膠結礦柱穩定性數值模擬研究

阮中華　張希　黃飛

摘要：在大紅山銅礦兩步驟連續開采過程中，膠結礦柱將代替原生礦柱服務相鄰礦房開采。基于二步驟回采過程的安全性以及穩定性要求，需對一步驟膠結礦柱穩定性分析研究。以385中段B12-20線區域為研究對象，通過FLAC3D軟件進行數值模擬研究，結果表明：385中段B12-20線開采區域膠結礦柱能夠保證其自身穩定性，不會發生失穩破壞，為區段回采提供了安全可靠的作業環境。

Abstract： In the two-step continuous mining process of Dahongshan Copper Mine， cemented pillars will replace primary pillars to serve the mining of adjacent mine houses. In order to ensure the safety of the two-step mining process， it is necessary to study and analyze the stability of cemented pillars. Taking the B12-20 line mining area in the middle section of 385 as the research object， the numerical simulation research is carried out by FLAC3D software. The results show that the cemented pillar in the B12-20 line mining area in the middle section of 385 can ensure its own stability without instability and damage， thus providing a safe and reliable working environment for mining in the section.

關鍵詞：空場嗣后充填采礦法;膠結礦柱;穩定性分析;數值模擬

Key words： open field subsequent filling method;cemented pillar;stability analysis;numerical simulation

中圖分類號：TD323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0206-05

0? 引言

眾所周知，我國有色金屬礦產資源具有貧礦多富礦少的分布特點，尤其是鐵、銅、鋁土、鉛、鋅、金等多為貧礦。以銅礦為例，我國品位大于1%的銅礦石占比不到30%，品位大于2%的僅約占6%。因此，開采低品位礦石將是我國礦業長期面臨的客觀現實。大紅山銅礦作為云南銅業的主力礦山之一，是一個典型低品位銅礦。針對低品位礦體開采，為了提高礦石的開采效率，同時提高礦石回收率，大紅山銅礦采用兩步驟連續回采的大盤區空場嗣后充填法。在該法中，通過對一步驟回采礦房進行膠結充填形成人工礦柱，以人工礦柱代替原生礦柱為二步驟回采提供支撐作用。為了保證二步驟回采過程的安全性，有必要對膠結充填礦柱穩定性進行研究[1-4]。

數值模擬方法通過模擬計算得出巖體在一定力學規則下的應力或位移分布規律，從而實現對復雜巖體力學問題的分析研究。在眾多模擬軟件中，FLAC3D數值模擬軟件采用有限差分方法能夠非常準確模擬巖體的應力、位移變化以及塑性破壞情況，且計算結果容易收斂，是目前采礦及巖土工程領域常用的分析軟件。趙興東[5]利用FLAC3D對謙比希礦隔離礦柱的穩定性問題進行模擬分析，結果表明預設21米隔離礦柱能夠滿足采場安全生產要求，具有足夠的穩定性。尚振華[6]等利用FLAC3D對大規模采空區進行模擬分析，得到了采空區巖石的破壞服從Weibull分布和longarm分布規律，對采空區穩定性問題進行了量化。王俊[7]等針對大紅山銅礦高礦柱強度設計問題，利用FLAC3D模擬得出了膠結充填體的強度參數。李夕兵[8]等利用FLAC3D對隔離礦柱理論計算結果進行了驗證，結果顯示隔離礦柱破壞在容許范圍內，證明了理論計算的合理性。

1? 工程概況

大紅山銅礦385中段B12-20線開采區域地處大紅山群曼崗河組第三巖性段中部，礦巖屬性主要為含銅石榴黑云角閃片巖以及含銅磁鐵變鈉質凝灰巖。礦體的展布情況為東高西低，產出均勻。開采區域包含I2、I3兩部分礦體，二者相互平行，總體走向為東西向，傾向為南西向，傾角為18°-25°。主要礦物包括黃銅礦及磁鐵礦，黃銅礦分布不均勻，呈細脈狀、 侵染狀、團塊狀以及散點狀，磁鐵礦呈帶狀分布。開采區域內存在FI-24-1斷層，產狀為走向N75°-W85°，傾向SW，傾角65°-75°。

根據礦體分布特點以及大紅山銅礦現有開采技術條件，采用下向大直徑深孔側向崩礦的大盤區空場嗣后充填連續采礦法。將盤區劃分為一步礦房和二步礦房，先采一步礦房、嗣后尾砂-塊石膠結充填，再采二步礦房、嗣后尾砂充填。如圖1所示，將大紅山銅礦385中段B12-20線開采區域劃分為13個礦房，其中包括7個一步膠結充填礦房和6個二步非膠結尾砂充填礦房，各礦房按圖1中編號順序開采。各礦房結構尺寸如表1所示。

2? 模型建立及參數取值

2.1 基本假定

地下礦山地質結構條件非常復雜，影響采場穩定性的因素也很多。在保證計算結果準確的前提下，為了突出所研究的問題，減少由于各種次要因素對數值計算結果的影響，因此在建立模型過程中做一些假設與簡化：

①假設礦體和充填體都為各向同性的連續介質。

②由于充填體的沉降性，因而充填體最終一般很難接頂，在計算中忽略此項因素。

③在計算中僅考慮地應力及重力的作用，忽略地震波、地下水及爆炸沖擊波對圍巖穩定性的影響。

2.2 幾何模型的建立

根據礦山實際，按圖1所示盤區規劃情況，結合盤區實際尺寸建立大紅山銅礦385中段B12-20線開采區域模型。考慮模型范圍大小及單元網格劃分對模擬結果的影響，取盤區模型長度的3倍范圍為兩邊圍巖尺寸，地表即為模型的頂部，取盤區高度的1倍為盤區模型下部尺寸。幾何模型內部按礦房名稱分組，模型的單元數（zone）為1621263個，節點數為（gridpoints）2246505個。三維模型如圖2、圖3所示。

2.3 本構模型與力學參數

本文將盤區內各種力學性質巖體視為各向同性彈塑性連續介質，并在數值模擬計算過程中，選擇莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）塑性本構模型進行模擬分析，本構模型如下所示：

式中1，2，t分別為最大主應力、最小主應力和抗拉強度c，？準分別為粘結力和內摩擦角，當fs>0時，材料將發生剪切破壞;ft<0時，材料將發生拉伸破壞。

綜合考慮礦山多年的工作經驗和研究成果，所取巖石力學特性參數如表2所示。

2.4 初始應力及邊界條件

根據大紅山銅礦最大水平主應力、最小水平主應力以及垂直主應力的高度變化規律（如式（3）、式（4）、式（5）所示），取得計算模型hmax=29.23MPa，hmin=26.8MPa，v=24.36MPa。

式中，hmax、hmin、v分別為最大水平主應力、最小水平主應力以及垂直主應力，？酌為上覆巖石容重（MN/m3），h為測點埋深（m）。

按照上述參數對計算模型進行初始賦值，并設置模型屈服條件服從莫爾-庫侖（model mohr）準則，模型四周以及底部設置固定位移邊界（Fix），模型頂部為自由邊界條件。

3? 數值模擬結果及分析

由于篇幅原因，未將12-20線開采區域所有的礦房、礦柱數值模擬結果一一呈現，選取B16-18膠結礦房的開挖充填數值模擬結果作為典型進行穩定性分析。

經過初始地應力計算之后，對B16-18膠結礦柱進行開挖，由于B16-18膠結礦柱是作為人工礦柱服務于B15-17-1礦房以及B15-17-2礦房回采，在B15-17-1礦房以及B15-17-2礦房回采過程中，B16-18膠結礦柱將先后暴露兩次，因此針對B16-18膠結充填體的穩定性研究而言，可將B16-18膠結礦柱暴露狀態分為一側臨空狀態和一側臨空另一側受尾砂側壓力狀態，通過分析B16-18膠結礦柱在不同狀態下的應力分布及塑性區分布情況可判斷膠結充填體在該狀態下的穩定性。

3.1 一側臨空狀態

在對B15-17-1礦房進行回采過程中，B16-18膠結礦柱暴露，受力狀態轉變為一側臨空的受力狀態，如圖4所示。此時，該膠結礦柱的應力分布規律可如圖5所示。圖中“-”表示壓應力，“+”表示拉應力，與巖石力學中的規定相反。

如圖5所示，膠結充填體最大主應力為壓應力，最小主應力為拉應力，在底部和臨空側出現應力集中情況。根據膠結充填體中部應力監測結果（？滓1=-0.15MPa，？滓3=0.035MPa），可繪制莫爾圓與應力曲線關系圖，如圖6所示。

分析圖6可知，B16-18膠結礦柱膠結充填體在一側臨空條件下，根據應力監測結果繪制莫爾圓在應力曲線之下，即該膠結充填體不會發生破壞，能夠保持穩定，圖7的塑性區分布情況也證實了該分析結果。

由圖7可知，該膠結礦柱幾乎沒有出現塑性區，整體性較好。由此可知，在一側臨空條件下，該膠結充填體結構穩定，不會發生失穩破壞。

3.2 一側臨空另一側受尾砂側壓力狀態

回采B15-17-2礦房，B16-18膠結礦柱形成一側臨空，另一側受B15-17-1礦房水砂充填側壓力作用的情況，如圖8所示。此時B16-18膠結礦柱的應力分布規律可如圖9所示。

分析可知，膠結充填體最大主應力為壓應力，在臨空側出現應力集中情況最小主應力在頂部和底部為拉應力，其余部分為壓應力。根據膠結充填體中部應力監測結果（？滓1=-0.48MPa，？滓2=0.056MPa），可繪制莫爾圓與應力曲線關系圖，如圖10所示。

由圖10可知，在一側臨空，一側水砂充填情況下，應力監測結果繪制莫爾圓仍然在應力曲線之下，即該膠結充填體不會發生破壞，塑性區分布情況如圖11。

如圖11所示，該膠結礦柱塑性區主要分布于頂部及表面，體內塑性區并未貫穿，整體性較好。由此可知，在一側臨空另一側受尾砂側壓力條件下，膠結充填體僅表面會出現塑性區，在容許范圍之內，不會發生失穩破壞。

4? 結論

為了保證二步驟回采過程的安全性，本文利用FLAC3D數值模擬軟件對對膠結充填礦柱穩定性進行研究。可得出以下結論：

①根據應力監測結果，通過應力莫爾圓與強度曲線空間關系分析可知，大紅山銅礦385中段12-20線回采區域膠結礦柱在相鄰兩側礦房開挖、多次暴露情況下，莫爾圓在其應力曲線之下，膠結礦柱能夠保持穩定，不會發生破壞。

②塑性區分布情況表明，大紅山銅礦385中段12-20線回采區域膠結礦柱在服務二步驟回采過程中，僅在表面出現一定的剪切破壞和拉伸破壞，塑性區并未貫穿，均能保持其自身穩定，所構成的支撐框架為區段回采提供了安全可靠的作業環境。

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