基于FLAC3d數值模擬方法的杏山鐵礦中段隔離礦柱穩定性分析

嚴振湘 張文東

（首鋼集團有限公司礦業公司）

杏山鐵礦露天開采于2005 年閉坑，2011 年露天轉地下開采正式進行。開采礦體整體向東南方向傾伏，地下開采一期采用無底柱分段崩落法，購置的地界內允許塌落，但隨著開采深度的延伸，-330 m 水平至-480 m 水平少部分礦體塌落范圍已經超出地界，-480 m 水平以下大部分礦體塌落范圍超出地界范圍。考慮杏山鐵礦為已成型的地下礦山，深部開采時需要同時考慮經濟性和安全性。由于地下采礦會在礦石采出后的原礦石部位形成采空區，周圍巖層也會因此失去受力平衡而發生變形和破壞，使地表發生變形、塌陷［1］。受具體條件限制，部分礦山的井筒、選廠等構（建）筑物布置在地表移動帶內，需要留設足夠的保安礦柱對其加以保護。同時由于深部礦體產狀的變化，地表移動帶隨之發生變化，地表重要構（建）筑物由原來的地表移動帶之外進入地表移動帶以內，也需要留設保安礦柱加以保護［2］。同時因地壓管理方式不同，不同的采礦方法之間也需要預留保安礦柱確保回采安全［3］。開展聯合開采條件下的隔離礦柱穩定性研究是杏山鐵礦的一項重要工作，也為其他類似礦山深部開采時礦柱的穩定性分析提供參考。

1 地質概況

杏山鐵礦礦區出露的地層以太古界遷西群三屯營變質巖為主，屬于鞍山式沉積變質貧鐵礦床。杏山鐵礦礦體總體上呈向斜形態，向斜軸面陡立，傾向偏西，向斜走向350°，樞紐向南傾伏，傾伏角在40°左右。被正斷層F9 切割，礦床在東西上分為大杏山和小杏山兩部分，具體如圖1。

F9 斷層以西礦體稱為大杏山礦體，礦體賦存主要在-330～-600 m 水平，-607 m 水平以下逐漸尖滅。小杏山礦體被斷層F10 破壞，在垂向上分為2 個礦層，上層礦層傾角45°～70°，平均厚度68.09 m；下層礦層傾角為40°～55°，總體上按C18～C26 線由大變小，小杏山礦體平均厚度23.09 m。

礦床礦體上盤圍巖為石榴石黑云變粒巖、黑云淺粒巖、斜長角閃巖等，下盤圍巖為黑云變粒巖、角閃麻粒巖夾矽線石榴石英巖。夾石TFe 品位為11.52%，mFe品位為8.49%，圍巖TFe品位為5.50%。

2 工程概況

隔離礦柱的厚度不僅關系著井下開采的安全性，同時也影響礦山的整體效益。隔離礦柱布置形式和厚度的合理性，既保證開采安全又能減少礦石的損失［4］。-330～-480 m 階段存在崩落法和充填法同時開采的情況，考慮在2種采礦方法交界處預留礦柱，兩種采礦方法在開采靠近礦柱的礦體時，不能同時進行爆破、回采作業，且采用微差爆破，嚴格控制單段起爆藥量，不要破壞礦柱的完整性。

露天轉地下開采延伸工程留設的保安礦柱主要有以下3 個部分：①附近鐵礦井筒保安礦柱，②礦體中段保安礦柱，③采礦方法交界保安礦柱。圖2為主要礦柱示意圖。

（1）附近鐵礦井筒保安礦柱。礦山東側有其他公司鐵礦，該鐵礦的西北角布置有主井，為了保護該鐵礦主井工業場地，在小杏山礦體東部留有部分井筒保安礦柱。保安礦柱保護以該鐵礦主井為中心、半徑50 m范圍的工業場地。

（2）礦體中段保安礦柱。延伸工程共劃分為-330～-480 m 和-500～-660 m 兩個階段，其中-330～-480 m階段采用崩落法和充填法混合開采，-500～-660 m 階段全部采用充填法，2 個階段同時開采。為保證下階段開采不影響上階段的生產安全，將-480～-500 m 的礦體留作隔離保安礦柱，礦柱為水平連續礦柱，礦柱厚度20 m。

（3）采礦方法交界保安礦柱。-330～-480 m 階段采用充填法和崩落法2種采礦方法聯合開采，前者自下而上開采，后者自上而下開采，為保證生產安全，需要在2種采礦方法交界處留設保安礦柱，礦柱厚度為30 m。

3 數值模擬

3.1 力學參數

本次模擬主要參考了《河北省遷安市遷安鐵礦接替資源（杏山區）勘探報告》中對圍巖的物理力學性質試驗結果。詳細參數見表1。

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3.2 理論公式與經驗公式計算

基于各類經驗公式及理論公式計算的杏山鐵礦分段隔離礦柱厚度如表2所示。

?

基于以上計算結果，考慮計算參數的誤差，選用20 m 作為中段隔離礦柱的厚度是安全、經濟的。為進一步分析上述結果的可靠性，采用數值模擬方法對中段隔離礦柱的安全性進行驗算。

3.3 數值模擬分析

數值分析基于國際先進的巖土工程數值分析軟件FLAC3d進行礦房開采過程模擬，以分析中段隔離礦柱的穩定性。假設模型中礦巖體均為理想彈塑性連續介質，且采用摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則，其物理力學模型采用彈塑性力學模型，僅考慮自重應力。數值模型初始邊界條件為前后左右面及底面采用位移約束，即前后左右面限制水平方向位移，底面限制垂直方向位移［5-7］，上部為自由邊界面。建立數值模型如圖3（a）所示，礦塊及礦柱劃分如圖3（b）所示。

圖4為-480 m以上礦體開采完畢塑性區分布，可知-480 m 以上礦體開采對下部中段隔離礦柱不會造成大的損傷區。

隨著-500～-560 m 分段礦房一步回采，中段隔離礦柱底部出現塑性區，如圖5 所示，但塑性區僅存在于空區頂部局部范圍，厚度較小，塑性區未貫通中段隔離礦柱。

隨著-500～-560 m 分段礦房回采結束，礦柱底部出現塑性區仍未貫通，如圖6 所示，說明-461.25 ～-500 m之間的中段隔離礦柱能夠保持穩定。

-480 m 以上礦體開采完畢中段隔離礦柱主應力變化如圖7 所示。由圖可知，上部階段開采完畢后，頂柱應力集中較大，拉應力主要集中在充填體局部，影響范圍較小。中段隔離礦柱上部存在壓應力集中，但是范圍有限。

隨著-500～-560 m 分段礦房回采結束，中段隔離礦柱出現較大應力集中，如圖8所示。最大拉應力區范圍較小，拉應力值小于巖體抗拉強度，應力場分析說明-461.25～-500 m 之間的中段隔離礦柱能夠保持穩定。

4 結 論

模擬結果表明，中段礦柱受開采影響有限，僅局部礦房空區上部有塑性破壞，破壞范圍未貫穿礦柱，加之采用充填采礦法，空區冒落時間短，礦柱完全冒落破壞可能性較小，因此中段水平保安礦柱厚度設置為20 m是安全可靠的。