深井條帶開采中留設條帶長期穩定性分析

張紀堂，翁麗媛，左世曉，胡軍偉，宋 陽，劉彬彬，董 岳＊

（1.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂 277700；2.山東科技大學，測繪科學與工程學院，山東 青島 266590）

山東某千米開采礦井，為有效地控制覆巖及地表變形，保護地表建（構）筑物，采用條帶開采法解放村下壓礦。由于深井留設條帶承擔的上覆巖層載荷較大，留設條帶的長期穩定是深井條帶開采是否成功的關鍵指標，對深井留設條帶長期穩定性的研究具有重大的意義[1，2]。

國內外學者針對巖石蠕變特性提出西原模型、Burger模型、Maxwell模型等。研究表明：最有效地解決大埋深高地應力條件下礦巖的塑性變形，是基于Burgers模型組合而成的Mohr-Coulomb模型[3，4]。本文應用FLAC3D中的蠕變模型，模擬了千米深井留設條帶的蠕變特性，得到了千米深井留設條帶穩定性的時序變化規律。

1 條帶開采工作面信息

山東某礦礦32采區因村莊壓礦采用條帶開采方案，該區域共布設6個條帶開采工作面，各工作面信息如表1所示，開采時間為2011年10月至2017年10月。

表1 32采區工作面概況

2 改進Burgers礦巖流變模型

改進Burgers模型中Kelvin體、Maxwell體和塑性體分別以上標K、M、P表示，該模型應變速度表示為：

其中，Maxwell體應變速度為：

Kelvin體應變速度為：

Mohr-Coulomb塑性體應變速度為：

體積特性為：

式中：K為體積模量，G為剪切模量，η為粘滯系數，Sij為偏應力，eij為偏應力分量，σ0、σ3分別為最小和最大主應力。

Mohr-Coulomb包括剪切準則和拉伸準則在內的剪切屈服函數和潛在的剪切斷裂函數如下：

拉伸屈服函數與拉伸破壞勢函數為：

有限增量為：

上劃線表示在一個時步內所取得的值。

式中，上標N和O分別描述為新值和舊值。

3 留設條帶長期穩定性數值模擬研究

（1）蠕變模型。FLAC3D中的蠕變模式提供了8種蠕變本構模型，分別為：①經典粘彈性模型model viscous：此模型采用經典Maxwell蠕變模型，描述巖石彈性和黏性性質；②model burgers：此模型采用經典Burgers蠕變模型，它可以反映巖石的粘彈性，但不能描述屈服狀態和加速蠕變的階段；③二分量冪定律模型model power：此模型廣泛用于采礦工程；④model wipp：一般用于研究核廢料處置；⑤model cvisc：第二個模型的變形形式，遵循Mohr-Coulomb準則，該模型可模擬材料進入屈服后的狀態；⑥model cpow：為第三個模型的擴展形式，遵循Mohr-Coulomb準則；⑦model pwipp：為第四個模型的變形形式；⑧model cwipp：為第四個模型的擴展模型，可模擬材料壓硬和剪縮行為。

本次數值模擬采用的是軟件內置cvisc模型。

（2）數值模擬。根據山東礦區32個礦山的地質條件，建立了深部安全帶支架立柱蠕變的數值模擬模型，確定了該立柱的長期穩定性。數值模型在X，Y和Z方向上的尺寸分別為1000m和500m，模型中的立柱尺寸設置為130m，在模型頂部施加12MPa的載荷，代替上覆地層的重量，并在側向施加荷載，側向應力為垂直應力的0.8倍。

（3）采深1000m留設條帶長期穩定性分析。通過工作面開挖過程靜力及礦柱蠕變計算，獲得了留設條帶在3年內的蠕變變形值，圖1、圖2分別為條帶開采3年后留設條帶蠕變垂直應力云圖與垂直變形云圖。

圖1 開采3年后留設條帶垂直應力分布

圖2 開采3年后留設條帶垂直變形

從時間角度看，留設條帶在開采結束初期，橫向變形值及垂直應力增幅較大。開采后二十個月，它趨于穩定，這表明極點將在此后進入長期穩定狀態。

圖3 留設條帶不同深度處隨時間變化的橫向變形（H=1000m）

（4）采深500m留設條帶長期穩定性分析。為了研究采礦深度對皮帶支柱長期穩定性的影響，改變了采礦深度，并按比例減小了巖石層的厚度。現在，通過數值計算了500m深度的巖柱的長期穩定性，在模型的頂部施加5.5MPa的載荷來代替覆巖的重量，垂直應力為剪切應力的0.8倍，模擬結果圖4、5所示。

圖4 留設條帶不同深度處隨時間變化的橫向變形（H=500m）

圖5 留設條帶不同深度處隨時間變化的垂直應力分布（H=500m）

4 結論

（1）采用FLAC3D軟件，對采深1000m留設條帶長期穩定性進行了模擬計算，分析了采礦作業結束后36個月內立柱的橫向變形和豎向應力分布。

（2）采深500m的留設條帶蠕變過程模擬表明，留設條帶的塑性區發育至留設條帶內6m～7.5m處，留設條帶的蠕變在井底生產16個月后穩定下來，并且留設條帶可以保持長期穩定的狀態。