基于FLAC3D的謙比希銅礦盤區保安礦柱穩定性分析

楊清平， 陳志強， 王紅心

(1.中色非洲礦業有限公司， 贊比亞 基特韋； 2.北京金誠信礦山技術研究院有限公司， 北京 101500)

1 前言

地下開采過程中，常留設一定厚度的保安礦柱與圍巖共同作用來支撐上覆巖石，以此來保持采場結構穩定，實現礦體安全回采。但是保安礦柱留設過大、過多，將造成資源的浪費，不利于礦山的可持續發展；若保安礦柱留設不足，礦柱承載力不夠將發生失穩破壞，威脅井下人員和設備安全。因此，研究留設保安礦柱不同厚度的穩定性，不僅對維持采場結構穩定、實現井下安全高效回采具有重大意義，同時可對后期優化礦柱留設開采提供有意借鑒。王文軍等[1]采用ANSYS有限元軟件，分析了不同厚度隔離礦柱的位移規律和塑性區分布規律，驗證了25 m厚原巖隔離礦柱能保證安全生產；劉志新等[2]對過渡區不同厚度礦柱下的采場運用ANSYS和FLAC3D進行了三維數值模擬計算，得到現階段礦柱仍能支撐兩個分層采場的回采；張兵等[3]采用FLAC3D軟件對21 m厚度的水平礦柱進行了穩定性分析，得到其能有效保障上下采場安全作業；盛佳等[4]基于沉降監測、層次分析法及數值模擬對井筒保安礦柱的穩定性進行了分析，綜合研判井筒保安礦柱穩定性良好。

謙比希銅礦東南礦體采用預切頂空場嗣后充填法條帶式開采，盤區間根據經驗所留設的保安礦柱厚度為25 m，為探究其留設此厚度保安礦柱的穩定性，同時為后期優化礦柱尺寸留設提供借鑒，本文運用FLAC3D數值模擬軟件分別對二步驟采場回采完成后，從應力、位移及塑性區方面分別對保安礦柱留設厚度在25 m、23 m、21 m、19 m、17 m、15 m時進行研究分析。

2 開采技術條件

謙比希銅礦東南礦體一期工程首采區主要回采1號礦體0線以北部分，其首采區又劃分為北首采區和南首采區。北首采區分布于地表勘探線39線～53線，垂向范圍980～1 060 m水平。1號礦體礦體厚度13～15 m，平均厚度14 m，平均傾角10°。

礦體上盤圍巖主要為石英巖及泥質石英巖等，厚度11～75 m，巖體完整，局部為基本完整，巖石結構致密、堅硬、穩定、完整。礦體主要為礦化板巖。礦體下盤圍巖主要為石英巖、下盤礫巖及長石石英巖等，下盤巖石均堅硬、穩定、完整。

3 預切頂空場嗣后條帶式開采法

設計將礦體劃分為盤區為回采單元組織生產，盤區沿礦體走向方向布置，每個盤區長200 m，寬100 m，盤區內礦塊高50 m，盤區間留25 m厚間柱，盤區內條形采場長80 m，寬9 m。采用預切頂空場嗣后充填法開采，“隔一采一”，一步驟采場回采完成且充填體養護合格后，回采二步驟采場。單個采場切頂上山完成后，在采場一端施工切割天井，為切割拉槽提供自由面，切割槽完成后，在切頂上山采用下向平行中深孔后退式回采，回采剖面圖如圖1所示。

圖1 條帶式采場回采剖面圖

4 采場數值模型的建立

4.1 幾何模型的建立

選取謙比希銅礦東南礦體北首采區960 m水平分段1盤區5個采場和2盤區5個采場建立幾何模型。Z方向模型范圍根據埋深確定，960 m水平分段礦體埋深960 m。X、Y方向的模型范圍依據圣維南原理確定，即根據應力擾動波及范圍，選取3倍的開挖邊界作為建立X、Y方向的模型范圍[5]。幾何模型尺寸大小為250 m×150 m×100 m(長×寬×高)，具體如圖2所示，模型共包含單元305 500個，節點319 968個。

圖2 北首采區960 m水平分段1盤區和2盤區三維數值計算模型

4.2 力學參數的確定

模擬計算選取摩爾庫倫強度準則，礦巖物理力學參數使用的是礦山前期開展的力學試驗研究取得的結果數據經折減而來，具體數值見表1。

表1 模型計算所用的礦巖和充填體物理力學參數值表

體積模量K、剪切模量G與彈性模量E、泊松比μ的關系根據式(1)、(2)推導計算，具體數值見表2。

表2 模型數值計算中摩爾- 庫倫模型參數值

(1)

(2)

4.3 邊界條件

設定模型位移邊界條件，即模型上表面自由，下表面固定，前后左右表面位移為零，對模型施加相當于采場埋深的壓應力23.65 MPa。

4.4 結果分析

模型計算首先根據邊界條件、力學等參數等進行初始化運行，其最大主應力及最小主應力符合地應力分布一般規律，將模型產生的位移、速率、塑性區等清零后按實際開采充填過程逐步模擬，計算過程簡化了礦房結構，未考慮軟化、硬化現象。結果分析針對的是在一步驟回采充填完成后的基礎上，二步驟采場開挖后盤區間礦柱應力、位移及塑性區變化狀況。

1)應力分析

對礦柱應力的分析主要以礦柱所受的最大主應力為評價指標，圖3所示為二步驟采場開挖后盤區間不同厚度礦柱最大主應力分布云圖。對比15 m、17 m、19 m、21 m、23 m、25 m厚度的礦柱受力，共同點是都受壓應力集中，且最大壓應力都分布在礦房的角隅處，應力集中系數約為1.82，推測原因是由于礦房結構簡化，方向突變造成的，實際開采過程中礦房邊角處多呈弧狀，應力集中會相對小一些；其次，二步驟開挖后，25 m、23 m、21 m及19 m厚度的礦柱受力大小及分布相似，較大應力似拱形分布在礦柱側幫且未貫穿整個礦柱厚度，礦柱失穩的可能性較小，而17 m和15 m厚度的礦柱中受較大壓應力作用且貫穿整個礦柱厚度呈X型共軛分布，在蠕變作用下礦柱的安全性會不斷降低。

圖3 二步驟開挖后不同厚度礦柱的最大主應力云圖

2)位移分析

圖4所示為二步驟采場開挖完成后盤區間不同厚度尺寸礦柱位移變化云圖，選取Z-disp為評價指標。從圖中可以看出，礦柱的上端較下端出現更大的位移變形，與礦柱厚度尺寸無關。根據監測點文件記錄，15 m厚盤區間礦柱最大下沉量達8.73 cm，17 m厚盤區間礦柱最大下沉量2.54 cm，19 m厚盤區間礦柱最大下沉量達2.39 cm，21 m厚盤區間礦柱最大下沉量2.34 cm，23 m厚盤區間礦柱最大下沉量2.27 cm，25 m厚盤區間礦柱最大下沉量1.63 cm，從以上計算結果可以看出，礦柱厚度在17～25 m時，其最大下沉量變化不大，而從17 m變至15 m時，其最大下沉量發生突變，推測15 m厚度尺寸的礦柱很有可能發生了部分結構性破壞。

圖4 二步驟開挖后不同厚度礦柱的位移云圖

3)塑性區分析

圖5所示為二步驟采場開挖完成后盤區間不同厚度尺寸礦柱塑性區分布云圖，從圖中可以看出，盤區間礦柱塑性區區域主要分布在靠近采空區四周的側幫上，且呈剪切變形；所有礦柱兩幫塑性變形并未貫穿整個礦柱，說明礦柱的整體結構仍保持完整；此外，根據塑性變形的網格數可以看出，礦柱厚度尺寸越大，塑性區域面積所占的整個礦柱的面積就越小，礦柱穩定性就越高，所以25 m厚度的礦柱穩定最好，15 m厚度的礦柱穩定性最差。

圖5 二步驟開挖后不同厚度礦柱的塑性區分布云圖

5 結論

(1)二步驟開挖完成后，25 m、23 m、21 m及19 m厚度的礦柱側幫受較大壓應力作用，且呈拱形分布，但受力未貫穿整個礦柱；而17 m和15 m厚度的礦柱所受較大壓應力在礦柱中呈X型共軛分布，長期蠕變作用下，礦柱失穩破壞的可能性較大。二步驟開挖完成后，25 m、23 m、21 m、19 m及17 m厚度的礦柱豎直方向的最大下沉量分別為1.63 cm、2.27 cm、2.34 cm、2.39 cm及2.54 cm，而15 m厚度的礦柱最大下城量達8.73 cm，下沉量突變，推測其部分結構發生了失穩破壞。二步驟開挖完成后，不同厚度的礦柱側幫都出現了剪切變形，從塑性區所占礦柱面積的比例來看，25 m厚度的礦柱穩定最好，15 m厚度的礦柱穩定性最差。

(2)綜合分析不同厚度尺寸礦柱在二步驟采場開挖后的應力、位移及塑性區情況，可以得到，謙比希銅礦東南礦體盤區間礦柱留設厚度在19 m及以上時，可滿足其穩定性要求。因而，現場留設的25 m厚盤區礦柱能滿足其穩定性要求。同時，現場觀察表明，二步驟采場回采完成后，盤區間留設的25 m厚礦柱結構良好，未發生片幫等現象，表明其穩定性良好。此外，上述研究成果可為后期優化礦柱留設提供借鑒。