某鐵礦采空區穩定性的數值模擬分析

孔學偉 徐培良 楊八九 者亞雷3

（1.云南錫業股份有限公司；2.云南亞融礦業科技有限公司）

礦體在開采條件下引起的應力二次分布以及礦巖移動變形規律都非常復雜，僅僅從理論方面對其進行計算分析，很難客觀而全面地反映研究對象的變化過程，必須借助理論計算之外的其它研究手段［1-3］。計算機分析技術很好地解決了這個缺點，借助計算機模擬軟件能夠很好地監測巖體在開挖過程中的應力、位移以及其它一些物理量的變化過程。目前計算機模擬技術已經在巖土工程領域得到了廣泛的應用，也出現了很多的研究方法和模擬軟件，最具代表性的是FLAC3D有限差分法，其最大的特點在于注重對整個過程的分析，其三維計算結果包括應力、位移等，給出的信息量非常大，特別適合用于模擬分析漸進破壞、失穩以及模擬大變形問題［4-5］。因此，本項目采用FLAC3D有限差分法，對I 號銅礦帶淺部不同開采階段圍巖應力應變等進行研究。

1 工程概況

某鐵礦I號銅礦帶賦存于700 m 標高以上，保有地 質 儲 量709.71 萬t，Cu 品 位0.58%，TFe 品 位19.57%，Cu 金屬量40 991.55 t。800 m 以上礦體相對較緩，傾角15°～25°；礦體厚度1.5～18 m，一般4～6 m，平均厚度4.9 m。主要采用全面法、房柱法及分段空場采礦法進行開采。礦塊采取小分段大盤區沿走向布置，分段高20 m，盤區長100～200 m，盤區間留礦柱，礦柱寬10～12 m，盤區內再根據礦體號不同及礦體是否連續等情況劃分為多個采場，每個采場再劃分為2～7 個礦房，礦房寬12～15 m。采場劃分以礦體間圍巖為界（間距8～25 m），采場礦房間留點柱，點柱尺寸5 m×5 m，間距8～12 m，礦房底部采用天井與上分段巷道接通，作為回采切割及通風巷道。

經過近7 a 的開采，820～880 m 分段已基本回采結束，不連續盤區各采空區體積之和約95.2 萬m3，采空區間有尺寸不等的間柱、點柱、頂、底柱及不同厚度的圍巖，部分采空區已貫通。目前，該銅礦帶800 m以下仍在持續生產，上部采空區的穩定性評價及采空區對地表充填制備站的影響成為礦山目前亟待解決的問題。

2 宏觀巖體力學參數

在現場巖體結構面調查、室內巖石力學試驗、點荷載試驗的基礎上，采用普氏、RMR、Q系統3種巖體質量分級方法，對某鐵礦I號銅礦帶各礦巖體質量進行了分級，認為I號銅礦帶礦體、大理巖（頂板）屬于較堅固巖體，凝灰巖（夾層）、底板屬于較堅固～堅固巖體［6-7］。

根據點荷載和室內物理力學試驗結果及二者之間的相關性，采用Hoek-Brown 強度準則對巖體強度進行折減，最終確定的礦巖體宏觀力學參數見表1［8-9］。

3 計算模型的建立

本次模型的建立采用FLAC3D數值模擬軟件進行，主要研究I 號銅礦體開采后，采空區圍巖及地表的應力、應變顯現規律以及穩定性問題。為礦山后續采空區治理提供技術支撐。

模型X方向為礦體走向方向，長度為1 200 m；Y方向為垂直礦體走向方向，長度為700 m；Z方向為豎直方向，模型底部標高700 m，頂部標高模擬礦山實際地形，由于地形較復雜，做了一定的簡化，建好的模型見圖1、圖2，模型共計577 170 個單元和554 320個節點。

計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節點采用X、Y、Z3 個方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束。模型頂部為自由邊界。

4 模擬結果分析

4.1 最大主應力分布

從圖3可以看出，礦體開采880 m中段后，應力最大值沒變，而最小值減小，說明礦體開挖后采空區圍巖應力得到釋放，僅開挖880 m 中段時，礦柱上并未出現應力集中現象，礦柱應力值降低，此時礦柱不會出現因為壓應力而導致的破壞。礦體開采至860 m中段時，應力最小值繼續降低，且應力釋放區域范圍增大，此時應力最大值由原來的11.5 MPa 增大到17.1 MPa，開挖至800 m中段時，礦柱上最大主應力值增大到22.0 MPa，說明此時礦柱上有明顯的應力集中現象，礦柱上的荷載增加，可能會導致礦柱失穩破壞，從不同中段礦柱最大主應力趨勢圖（圖4）可以看，礦柱最大主應力增長出現在840 m 中段，之后趨于平穩。

4.2 最小主應力分布

從圖5、圖6 可以看出，礦體未開采時，礦柱上應力均為壓應力，未出現拉應力，礦體開采后，各中段礦柱上不同程度的有拉應力出現，拉應力值最大的出現在840 m 中段，拉應力出現區域最多的是860 m中段。對應采空區復合平面圖后，出現較大拉應力的 空 區 有880III301、860IV -2 切2、860IV08、860III201 -5、860III301 -2、860IVB3 -4、860V01、840V02、840IVA2 -1、840IVA2 -2、840III01 -6、840III04-1、840III04-2、840III04-3、840III04-4、840III04-5、820III02-5、820III02-6，且這18個采空區的最大拉應力值均超出了巖體折減后的極限抗拉強度值，此時采空區穩定性較差，容易出現破壞。

4.3 位移分布

不同開采階段位移及位移趨勢（圖7）可以看出，當礦體開采至840 m 中段時，采空區圍巖整體位移增長最快，并且圍巖移動影響范圍也逐漸增大。礦體開挖完后，位移量最大區域出現在860 m 中段采空區上方，該區域的確定為礦山后期針對的治理提供了依據。

4.4 礦體開采結束對地表及充填制備站影響分析

依據礦體開采至800 m 標高地表整體位移（圖9），將大于2 cm 的移動范圍進行圈定后，畫出的地表移動影響范圍，礦體開采后地表有一定的沉降變形，最大位移量位于礦區A39～A40 剖線，充填制備站剖面最大位移值為3.9 cm，位移量較小，且充填制備站附近區域的圍巖并未出現移動變形，充填制備站位于地表移動影響范圍外。說明I 號銅礦體的開采對充填制備站不會造成影響。

5 結論

（1）采用FLAC3D數值模擬軟件對某鐵礦I號銅礦帶淺部不同開采深度應力、應變、位移進行科學分析，研究結論符合巖體力學的規律，在方法上是可行的。該方法形象直觀，能模擬不同開挖深度情況下礦巖體應力礦柱及位移變化趨勢。

（2）從分析結果看，圍巖最大拉應力值出現在840 m 中段，出現拉應力區域最多的是860 m 中段，且有18個采空區最大拉應力值超出了巖體折減后的極限抗拉強度值，此時采空區穩定性較差，容易出現破壞，該18 個區域的確定為礦山后期針對性治理提供了理論依據。

（3）確定了礦體開采后位移量最大位于礦區A39～A40 剖線，充填制備站附近區域的圍巖并未出現移動變形，充填制備站位于地表移動影響范圍外。說明I號銅礦體的開采對充填制備站不會造成影響。

（4）研究成果為該鐵礦采空區治理提供了理論依據，針對性的區域治理大大節約了成本。