充填法開采礦體三維模型構建及井筒穩定性分析①

劉建博，付建新，王 靈，張 超

（1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

礦體開挖后，會引起圍巖應力重新分布，可能會導致圍巖發生局部破壞，從而影響井巷工程的穩定性［1］。因此，準確有效地判斷礦體開挖后是否會造成井巷工程失穩破壞，是當前采礦工程研究的重點課題之一。專家及學者對井巷工程的穩定性進行了諸多卓有成效的研究，常見的研究方法有理論分析法［2－4］、現場監測法［5－6］、數值模擬方法［7－8］等。

隨著現代采礦技術不斷發展，三維建模軟件與數值模擬軟件成為采礦工程必不可少的技術手段。為了探明礦體儲量及其存在的空間狀態，并保證采礦過程安全，諸多學者利用三維軟件進行礦體建模，確定礦體儲量和空間分布狀態［9－11］，然后經與其他軟件網格劃分功能耦合，建成可供數值模擬軟件進行計算的模型，最終進行礦體開挖模擬研究。本文在前人研究的基礎上，采用3DMine-Rhino-Griddle軟件進行某礦區礦體與豎井建模，經過FLAC3D軟件進行礦體開挖模擬，研究礦體開挖對豎井穩定性的影響，為礦山穩定性開采提供理論依據。

1 礦區概況

某礦區屬低緩丘陵區，地勢起伏較小，東部較高，南、北、西部較低，海拔最高＋192.09 m、最低＋46.08 m，相對高差146.01 m。礦區在淺部區域主要賦存礦體包括Ⅶ-1號和Ⅶ-2號。開采范圍內巖體較穩固，井筒及運輸巷道位于絹英巖化花崗巖中，巖體完整性較好，整體塊狀結構，屬堅硬巖石，工程地質條件良好，在探礦施工過程中無不穩定因素。

本次開采范圍是采礦權范圍內－120 m水平以上礦體，采礦方法為上向水平分層尾砂膠結充填采礦法。根據礦體賦存情況，自上而下進行礦體回采，分為5個步驟，設計首采中段為0 m水平以上礦體。然后逐次開采0～－30 m水平、－30～－60 m水平、－60～－90 m水平和－90～－120 m水平。

類比同類礦山數據，參考《采礦設計手冊》，進行礦區地表移動帶圈定，礦體上盤巖石移動角70°，下盤及側翼移動角75°，圈定結果如圖1所示。圖中虛線框為地表移動帶，實線框為采礦許可證礦權范圍。觀察各礦體地表移動范圍，可見主豎井、1＃豎井、2＃豎井位于地表移動帶范圍內。為驗證礦體開采對主豎井穩定性影響，有必要在礦體回采時對主豎井的穩定性進行分析論證。

圖1 地表主要建（構）筑物位置及移動帶圈定

2 井筒保安礦柱范圍確定

保安礦柱是指為保護地貌、地面建筑、構筑物和主要井巷等而留下的不采或暫時不采的部分礦體［12］。根據《采礦設計手冊》（礦床開采卷下）中對地表建筑物保護等級的規定，并結合移動帶內井筒的用途，主豎井、1＃豎井、2＃豎井井筒均屬于Ⅰ級保護，保安礦柱按照以地表距離3個井筒20 m為界限，并根據礦體上盤巖石移動角70°、下盤及側翼移動角75°，利用3DMine進行保安礦柱圈定，如圖2所示。

圖2 保安礦柱示意

3 模型驗證與結果分析

3.1 數值模型的構建

利用FLAC3D軟件實現礦體回采模擬，研究礦體回采對主豎井穩定性的影響，確保礦體安全回采。基于3DMine-Rhino-Griddle軟件，將礦區地表、礦體、巷道、圍巖經過軟件的不同功能、不同格式的轉換、網格劃分，最終建成可被FLAC3D軟件識別的模型，通過設定初始條件以及工況，實現礦體開挖模擬，模型效果如圖3所示。

圖3 數值模型

3.2 巖石力學參數及初始應力確定

根據室內基本力學試驗，以及結合現場由于巖體受到爆破擾動等多重因素影響，其力學參數遠小于室內試驗獲得的基本力學參數。采用Hoek-Brown準則進行巖石力學參數折減處理，最終確定巖石基本力學參數如表1所示。

表1 基本巖石力學參數

根據經驗法所做的應力現場實測數據，得到應力隨深度的回歸方程，如式（1）所示。施加初始地應力場，并設置重力加速度為9.8 m／s2，生成初始應力場。

3.3 模擬方案及監測點布置

本次模擬研究內容為各中段回采結束后井筒的變形情況，對礦區內主豎井進行監測，在高程方向上間隔25 m布置監測點（共16個），監測礦體開采后井筒的水平、垂直變形情況，如圖4所示。

圖4 井筒監測點布置

3.4 結果分析

3.4.1 主豎井位移分析

結合模擬結果，對各步驟開采結束后主豎井的變形情況進行統計分析，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著回采的進行，主豎井水平位移量和垂直位移量均逐漸增加。50 m水平以上，由于主豎井距離礦體較遠，變形量較小，水平方向最大向西移動0.8 mm，垂直方向最大向下移動0.4 mm，說明礦體的開采對此范圍內主豎井穩定性影響極小，回采過程中主豎井保持穩定狀態；50～－50 m水平，由于主豎井距離礦體較近，回采礦體時，主豎井變形量較50 m水平以上迅速增加，水平方向變形量最大向西移動3 mm，垂直方向上主豎井顯現出明顯的雙向變形，50～0 m水平，垂直變形量最大向下移動0.6 mm，0～－50 m水平，垂直變形量最大向上移動0.4 mm，0 m水平受到明顯的擠壓作用，但其變形量較小，主豎井仍保持穩定狀態，在回采礦體時，應加強對此范圍內主豎井位移的監測，如果此范圍內主豎井變形量突然增大，應及時對其進行支護處理；－50 m水平以下，主豎井距離礦體逐漸變遠，變形量也迅速減小，水平方向最大向西移動2.1 mm，且隨著深度降低，水平變形量逐漸減小，垂直變形量最大向下移動0.5 mm，說明礦體回采對此范圍內主豎井穩定性影響較小，主豎井保持穩定狀態。總體來看，主豎井變形量均小于10 mm，說明礦體回采對主豎井均未造成較大擾動，在礦體開采過程中主豎井保持穩定狀態，但應加強對50～－50 m水平主豎井變形量的監測，避免因變形量較大而造成主豎井失穩。

圖5 主豎井變形情況

3.4.2 主豎井應力分析

圖6為5步驟回采結束后礦體與主豎井的最大、最小主應力和垂直應力變化規律擬合圖。據圖可知，礦體回采過程中，最大、最小應力主要集中在礦體周圍，而遠離礦體的主豎井周圍則基本保持初始應力狀態。回采1步驟結束，礦體最大主應力62 MPa、最小主應力25 MPa、垂直應力53 MPa。而后，隨著回采步驟進行，最大主應力以多項式形式增長，增長速率呈現先增加后減小趨勢；當回采進行到第3步驟時，由于開采深度下降，最大主應力增幅較大，達到80 MPa，隨后進入平穩狀態，未有較大波動。最小主應力自步驟1回采開始，基本保持在25 MPa左右，基本處于初始應力狀態。垂直應力以緩慢的速率增長，到5步驟回采結束后，其值為56 MPa。

圖6 主豎井應力變形情況

礦體自上而下分階段開采，隨著回采步驟進行，對最大主應力影響較大，當開采進行到第3步驟時，最大主應力達到峰值，步驟4、步驟5最大主應力有所下降但基本保持平穩。說明采用充填法進行礦體回采，可有效維持圍巖穩定性，避免主豎井受到破壞。

3.4.3 塑性區分析

塑性區變化規律見圖7。在前3步驟開采過程中，破壞以拉伸破壞為主、剪切破壞次之。后2步驟開采過程中，破壞以剪切破壞為主、拉伸破壞次之。其中剪切破壞主要出現在采場上、下盤圍巖中，拉伸破壞出現在頂板位置，井筒附近未發生塑性破壞。自步驟1開始，拉伸破壞以線性規律增長，剪切破壞以多項式形式增長。開采結束后應及時進行充填，避免剪切破壞區域延伸到主豎井周圍。

圖7 塑性區變化規律

4 結 論

1）基于3DMine-Rhino-Griddle-FLAC3D分析方法，可以對采礦過程中井筒穩定性進行有效分析，從而為采礦過程中確保井筒穩定性提出理論依據。

2）分別進行5步驟礦體回采模擬。結果表明，礦體回采并未對井筒產生顯著影響。礦體回采結束后，產生變形量較大區域僅在采場周圍，井筒變形量均小于10 mm，在主豎井50～－50 m水平，井筒變形雖較其他部位大，但仍處于安全范圍內，開采過程中可對其變形進行實時監測，若變形量較大，應及時進行治理。

3）采場周圍均出現了明顯的塑性破壞，但塑性區范圍較小，僅存在于采場周圍，并未延伸到地表及井筒周圍；回采過程中井筒周圍處于原巖應力狀態。模擬結果驗證了礦體回采并未對井筒產生較大影響，主豎井保持穩定狀態。