某銀鉛礦采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

張?jiān)祈f尹 裕潘 健

（1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

某銀鉛礦2014年起經(jīng)過技改設(shè)計(jì)，現(xiàn)礦山年生產(chǎn)規(guī)模為100萬t/a。該銀鉛礦從西向東分為3個采區(qū)，一、二采區(qū)和三采區(qū)相距較遠(yuǎn)。一、二采區(qū)地表移動界線范圍內(nèi)分布有礦屬建（構(gòu)）筑物。隨著銀鉛礦井下開采的不斷推進(jìn)，由開采引起的巖移可能逐漸向地表轉(zhuǎn)移。因此，亟需開展該銀鉛礦采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析研究，掌握地下開采對礦山地表沉降的影響，對礦山發(fā)展具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立

1.1 模型簡化

該銀鉛礦礦區(qū)地質(zhì)條件較簡單，但侵入巖形成的巖枝空間分布不均勻。礦區(qū)礦體主要賦存在早期斷裂構(gòu)造內(nèi)，導(dǎo)致礦床空間分布形態(tài)較為復(fù)雜，礦體條數(shù)較多。為了構(gòu)建三維地質(zhì)模型，對地層概化如下[1-5]。

（1）綜合考慮各地層空間分布及其與礦體的位置關(guān)系，主要地層概化為第四系覆蓋層、上層風(fēng)化帶、礦體圍巖以及礦體。

（2）礦體呈脈狀分布，礦體分支復(fù)合復(fù)雜。因此在建立礦體三維網(wǎng)格模型過程中，對部分細(xì)小礦脈進(jìn)行合并、刪除等簡化處理。

（3）礦山采用多種充填采礦方法，有分段空場嗣后充填法、淺孔留礦嗣后充填法以及上向分層充填法等。數(shù)值模擬過程中，無法對各個采礦步驟進(jìn)行真實(shí)模擬，僅按照分段空場嗣后充填法的步驟進(jìn)行。

1.2 三維模型建立

根據(jù)礦山提供的勘探線剖面圖，繪制各勘探線礦體剖面與地質(zhì)界線。通過各礦體剖面與地質(zhì)界線，采用3Dmine建立礦體模型，見圖1。

（1）模型范圍。為研究銀鉛礦開采過程中的地表變形特征，以礦體為模型基準(zhǔn)，向四周適當(dāng)擴(kuò)大模擬范圍，以防止計(jì)算中出現(xiàn)邊界效應(yīng)。研究區(qū)域內(nèi)共有3個采區(qū)，其中一、二采區(qū)相鄰較近，三采區(qū)與之相距較遠(yuǎn)，故將礦區(qū)分為2個模型分別計(jì)算，一、二采區(qū)同屬一個計(jì)算模型，三采區(qū)為一個計(jì)算模型。一、二采區(qū)礦體模型范圍為東西向?qū)? 150 m，南北向長1 200 m。三采區(qū)礦體模型范圍為東西向?qū)?00 m，南北向長1 000 m。

（2）三維數(shù)值網(wǎng)格模型。根據(jù)建立的三維實(shí)體模型，通過網(wǎng)格劃分建立數(shù)值網(wǎng)格模型，如圖2、圖3所示。一、二采區(qū)數(shù)值網(wǎng)格模型共包含824 391個四面體單元與150 262個單元節(jié)點(diǎn)，三采區(qū)數(shù)值網(wǎng)格模型共包含699 053個四面體單元與125 746個單元節(jié)點(diǎn)。參考銀鉛礦分段空場嗣后充填法采場實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，礦房、礦柱寬度均設(shè)置為50 m，以此進(jìn)行網(wǎng)格劃分，開采過程采用隔一采一的方式。

1.3 初始條件

（1）本構(gòu)模型。假設(shè)模型巖體均為理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)，分析采用摩爾-庫倫模型，該準(zhǔn)則考慮了正應(yīng)力或平均應(yīng)力作用的最大剪應(yīng)力或單一剪應(yīng)力的屈服理論，即當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到極限時，材料發(fā)生屈服破壞，其適用于大多數(shù)巖體力學(xué)工程計(jì)算[6-8]。

（2）應(yīng)力條件。本研究初始應(yīng)力場采用自重應(yīng)力。

（3）邊界條件。根據(jù)采礦的實(shí)際條件與FLAC3D軟件邊界條件確定的一般原則，模型四周平面中，X法向平面施加X向約束，Y法向平面施加Y向約束；模型底部平面施加Z向約束；模型頂面為自由面，不施加約束。

（4）巖體物理力學(xué)參數(shù)。本研究數(shù)值計(jì)算模型中各巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模型初始條件，對銀鉛礦地下開采過程進(jìn)行數(shù)值模擬。礦體的開采破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，在應(yīng)力重新分布過程中，采場圍巖、地層和地表將產(chǎn)生變形破壞。影響礦山地表位移的因素很多，其中礦山采場的穩(wěn)定性是影響礦山巖移的重要因素。礦山開采地表最終位移是每個采場圍巖位移逐漸累積的結(jié)果。因此分析單個采場開采過程中的穩(wěn)定性情況具有重要意義。

2.1 初始應(yīng)力平衡

應(yīng)力初始平衡如圖4、圖5所示，最大主應(yīng)力隨著深度的增大而增大。一、二采區(qū)數(shù)值模型底部埋深約為650 m，底部最大主應(yīng)力約為16.3 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)樨Q直方向。三采區(qū)數(shù)值模型底部埋深約為450 m，底部最大主應(yīng)力為11.7 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)樨Q直方向。

2.2 應(yīng)力分析

圖6 為一、二采區(qū)最大主應(yīng)力剖面云圖。由此可知，采場開采后，采場圍巖主要應(yīng)力擾動范圍為礦體頂板以及上盤圍巖區(qū)域，但總體影響范圍不大。采場圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力值也在適宜范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值與同深度初始地應(yīng)力相差不大。這是由于一、二采區(qū)礦體大部分為急傾斜中厚礦體，礦體頂板暴露跨度較小，而且一、二采區(qū)礦體圍巖質(zhì)量較好。

圖7 為三采區(qū)采場圍巖最大主應(yīng)力云圖。三采區(qū)相比一、二采區(qū)急傾斜礦體較多。礦體開采后，圍巖應(yīng)力擾動主要出現(xiàn)在礦體上盤，加之礦體圍巖質(zhì)量相對較差，其應(yīng)力擾動影響范圍也較廣。

2.3 位移分析

圖8 、圖9分別為一、二采區(qū)不同開采深度下圍巖位移云圖，可知采場圍巖位移值較小，最大位移在1 cm左右。采場圍巖位移主要出現(xiàn)在采場頂板以及上盤位置。

圖10 為三采區(qū)采場圍巖位移云圖。最大位移為2.5 cm左右，出現(xiàn)在一采場下盤，采場上盤最大位移為2.2 cm左右。該位移值相對較小，對采場穩(wěn)定性影響不大。

2.4 塑性區(qū)分析

圖11 、圖12為一、二采區(qū)采場圍巖塑性區(qū)剖面圖，可知采場圍巖內(nèi)未出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在上部充填體，采場頂板以及采場上盤位置。總體而言，塑性區(qū)厚度較小，采場穩(wěn)定性良好。圖13為三采區(qū)采場圍巖塑性區(qū)剖面圖。由于三采區(qū)圍巖質(zhì)量較差，采場圍巖內(nèi)塑性區(qū)分布較多，且厚度相對較大。三采區(qū)礦體開采過程中應(yīng)注意采場支護(hù)，保證生產(chǎn)安全。

3 結(jié)論

（1）由于一、二采區(qū)圍巖質(zhì)量較好，因開挖產(chǎn)生的圍巖位移與塑性區(qū)均較小，同時圍巖均為堅(jiān)硬巖類，其產(chǎn)生的次生應(yīng)力也較低，因此一、二采區(qū)采場穩(wěn)定性較好。

（2）由于一、二采區(qū)應(yīng)力水平較低，采場失穩(wěn)風(fēng)險主要為局部破碎帶引起的失穩(wěn)，應(yīng)注意加強(qiáng)局部支護(hù)。

（3）三采區(qū)圍巖體質(zhì)量為III級巖體，因此開挖后圍巖位移與塑性區(qū)范圍較一、二采區(qū)大，但仍在可控范圍內(nèi)。三采區(qū)礦體為傾斜礦體，因此采場應(yīng)注意頂板暴露面積，加強(qiáng)采場頂板支護(hù)。

（4）礦山圍巖體穩(wěn)定性尚可，再加之礦山采用空場嗣后充填法，只要礦山能夠及時做到隨采隨充，不長期留置大量空區(qū)，則采場圍巖穩(wěn)定性以及圍巖位移在可控范圍內(nèi)。