基于Flac^3D數值模擬的深部采場結構參數優化及應用

摘要：針對阿爾哈達鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法采場結構參數的確定開展相關研究，采用Flac3D數值模擬軟件建立了留頂柱不留底柱、留底柱不留頂柱共2種數值模型，分步模擬計算各方案在回采過程中的應力和位移分布規律，分別從拉應力和底板上鼓量、頂板下沉量分析比較方案的優缺點。研究結果表明：首采分層開挖后，2種方案采空區的頂底板均出現了拉應力集中，采空區兩側圍巖出現壓應力集中區域;留底柱不留頂柱的方案拉應力出現明顯下降，僅為2.30 MPa左右，因此選擇留底柱不留頂柱的方案作為阿爾哈達鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法的采場結構布置形式。

關鍵詞：數值模擬;深部開采;采場結構參數;頂柱;底柱;充填采礦法

中圖分類號：TD853.34文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）05-0051-05doi：10.11792/hj20220510

引 言

采場結構參數不僅影響采礦生產安全，更與采礦作業效率密切相關[1]。進行采場穩定性分析及結構參數優化研究，推薦合理的采場結構參數，對礦山安全生產具有重要的指導意義[2-3]。學者們對采場結構參數的優化進行了大量的研究，劉文勝等[4]基于正交試驗法，采用相似模擬試驗的手段對眼前山鐵礦的采場結構參數進行了優化;李守強等[5]采用數值模擬的方法對喀拉通克銅鎳礦Ⅰ號礦體采場結構進行了設計優化;李江等[6]采用數值模擬的方法對大尹格莊金礦9種采場結構參數進行了分析，選擇出最優方案;馬春德等[7]采用ANSYS與Flac3D耦合模擬的方法分析了湘西金礦沃溪礦區的采場結構參數，優選出深部采場最優跨度。學者們的研究成果表明數值模擬的方案可以很好地實現不同采場結構參數的計算[8-10]，為礦山的安全高效生產提供指導。本文采用Flac3D數值模擬對錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司（下稱“阿爾哈達鉛鋅礦”）標高568～648 m礦體采場結構參數進行設計并模擬計算開采過程，以獲得最優的采場結構參數，為深部開采提供技術支撐。

1 工程概況

阿爾哈達鉛鋅礦成立于2005年，2007年投產，設計生產能力為1 500? t/d，實際生產能力1 100～1 300 t/d。礦區有121條礦體，礦體厚度變化較大，經統計，厚度大于4 m的礦體占60 %～65 %。現有采礦方法設計原則為：礦體傾角小于或等于30°，厚度小于4 m時，采用充填采礦法或淺孔房柱采礦法開采;厚度大于4 m的礦體，采用中深孔房柱采礦法或充填采礦法開采。礦體傾角大于30°、小于50°的薄礦體，采用充填采礦法或留礦全面采礦法開采。礦體傾角大于50°的厚大礦體，采用分段空場采礦法或充填采礦法開采。局部品位較高、礦體不穩固礦段，為降低采礦損失貧化，采用充填采礦法開采。目前，深部礦體采用上向水平分層充填采礦法開采，采用Flac3D數值模擬軟件模擬采場結構參數回采方案，獲得最優方案，以實現安全高效開采的目的。

2 采場結構參數數值模擬

阿爾哈達鉛鋅礦深部采區開采568～648 m標高，中段高度40 m，因采用上行開采，故選擇568 m中段為首采中段，采用留頂柱不留底柱的上向水平分層充填采礦法和留底柱不留頂柱的上向水平分層充填采礦法回采。因此，將礦體模型按40 m一個中段進行劃分，分中段回采充填，上、下中段同時回采，每采完一個分層將計算結果導出，直至采完。

根據主要礦體特征選擇模擬參數：礦體厚度5 m左右，傾角40°，目前主要回采中段在568～648 m中段，豎井標高1 030 m水平，采場距離地表高度350 m左右。建立2個中段，每個中段3個采場，共6個采場，研究范圍為：x方向270～330 m，y方向80 m，z方向80 m。根據圣維南原理，建立的模型范圍至少為研究范圍的3～5倍，故建模尺寸為：x方向2 000 m，y方向2 500 m，z方向1 230 m。模型的上部直達地表，故無需施加地應力。采場單元尺寸為1 m，礦體單元尺寸為5 m，圍巖單元尺寸為10 m，以此來控制網格單元的尺寸。通過Flac3D建立的礦體三維網格模型如圖1所示。

2.1 參數選取

根據巖石力學試驗所獲數據及礦巖穩定性調查情況，采用RockData軟件按Hoek-Brown準則計算得出阿爾哈達鉛鋅礦巖體力學參數，結果如表1所示。

2.2 計算方案和回采過程

此次采場結構參數數值模擬方案共選擇以下2種：

1）方案一：采場沿礦體走向布置，長度90 m，寬度8 m，高度為中段高度40 m，各分層回采高度3 m，控頂高度4.5 m，不留底柱和間柱，留設頂柱高4 m，頂柱采用進路法回采。

2）方案二：普通上向水平分層充填采礦法采場沿礦體走向布置，長度90 m，寬度8 m，高度為中段高度40 m，各分層回采高度3 m，控頂高度4.5 m，留7 m底柱，不留間柱和頂柱，底柱采用進路法回采。

采用Flac3D計算并模擬上述2種方案（如圖2所示），得到最大、最小主應力，以及頂、底板位移和塑性區的情況，進而判定采場穩定性情況，從安全經濟的角度優選最佳采場結構參數。

3 模擬結果及分析

3.1 方案一

采用方案一，留頂柱4 m，不留底柱，采場長度90 m礦體模型進行數值模擬，部分關鍵步驟中采場的位移和應力結果如圖3所示。

統計6個步驟中最大應力與位移量模擬結果，如表2所示。

由圖3可知：首采分層開挖后，采空區的頂底板出現了拉應力集中，頂板及上覆巖層自重應力轉移到采空區兩幫的礦柱中，造成采空區兩側圍巖出現壓應力集中區域。隨著分層回采和充填完成，拉應力集中在下部膠結充填區。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個拉應力拱，當充填完成后，拉應力集中區1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD

域進一步擴大，在整個采場的長度上形成拉應力集中區。由表2可知，隨著開采的進行，第三步和第四步暴露采空區面積最大，此時最易出現失穩破壞，頂板拉應力較大，尤其在礦體與圍巖交界處和礦體頂板位置，但其他位置所受拉應力較小。

礦體回采過程中，第三步和第四步因需完成對充填體下分層的開采，整體頂板下沉量偏大，位移逐漸增加，但采場整體頂板位移較小。隨著開挖的進行，因為充填體逐漸替代原有礦石，而充填體物理力學參數小于礦石，所以采場的底鼓逐漸增加，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為1.68～4.10 cm，底板上鼓量為1.92～4.26 cm。

3.2 方案二

方案二，留7 m底柱，不留頂柱，采場長度90 m礦體模型部分關鍵步驟中采場的位移和應力云圖如圖4所示。統計6個步驟中位移及最大應力模擬結果，如表3所示。

由圖4可知：首采分層開挖后，采空區的頂底板同方案一一致，同樣出現了拉應力集中，頂板及上覆巖層自重應力轉移到采空區兩幫的礦柱中，造成采空區兩側圍巖出現壓應力集中區域;并且隨著分層回采和充填完成，拉應力集中在下部膠結充填區，壓應力集中在采空區的兩側。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個拉應力拱，當充填完成后，拉應力集中區域進一步擴大，在整個采場的長度上形成拉應力集中區。由表3可知，隨著開采的進行，采場頂底板拉應力值整體比較穩定，且與方案一相比，拉應力出現明顯下降，僅為2.30 MPa左右。與方案一進行比較，方案二對于應力控制更為理想，頂板拉應力明顯減小。

首采分層開挖后，頂板形成位移拱，最大下沉量0.17 cm。在第三步，進行充填體下方礦體開采時，因上中段留有厚7 m底柱，568 m中段1#礦房頂板下沉得到有效控制，最大下沉量0.39 cm;在全回采過程中，底部最大上鼓量為6.14 cm，受環境應力影響，底部出現上鼓。礦體回采過程中，第三步和第四步因需完成對充填體下分層的開采，整體頂板下沉量偏大，位移逐漸增加。但采場整體頂板下沉量較小，較方案一有明顯改善。隨著開挖的進行，由于采用充填體逐漸替代原有礦石，而充填體物理力學參數小于礦石，所以采場的底鼓逐漸增加，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為0.17～0.39 cm，底板上鼓量為1.92～6.14 cm。

4 工程應用及效果

以阿爾哈達鉛鋅礦5631采場作為試驗采場，采用方案二的采場結構參數回收礦體約1.82萬 t，單采場平均生產能力130 t/d，單日最大出礦量達210 t，開采過程中未出現失穩、冒落等現象，滿足后期其他采場的施工要求，可在該礦山推廣應用。現場試驗效果如圖5所示。

5 結 論

1）方案一，留頂柱4 m，不留底柱，采場長度90 m礦體模型模擬結果表明：隨著分層回采和充填完成，拉應力集中在下部膠結充填區。礦房開挖過后，礦房頂板上部形成一個拉應力拱，最大拉應力為3.04 MPa，頂板拉應力較大，尤其在礦體與圍巖交界處和礦體頂板位置，各步驟礦房全部回采完成后頂板下沉量為1.68～4.10 cm，底板上鼓量為1.92～4.26 cm。

2）方案二，留7 m底柱，不留頂柱，采場長度90 m 礦體模型模擬結果表明：首采分層開挖后，采空區的頂底板同方案一一致，同樣出現了拉應力集中，頂板及上覆巖層自重應力轉移到采空區兩幫的礦柱中，造成采空區兩側圍巖出現壓應力集中區域。但與方案一相比，拉應力出現明顯下降，僅為2.30 MPa左右。各步驟回采完成后頂板下沉量為0.17～0.39 cm，底板上鼓量為1.92～6.14 cm。選擇方案二作為阿爾哈達鉛鋅礦上向水平分層充填采礦法的最優采場結構參數。

3）采用方案二在阿爾哈達鉛鋅礦進行現場工業試驗，采場平均生產能力130 t/d，單日最大出礦量達210 t，開采過程中未出現失穩、冒落等現象，滿足施工要求，可推廣應用。

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Optimization and application of deep stope structural parameters based1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD

on Flac3D numerical simulation

Zhou Yabo

（Xilin Gol League Shanjin Alhada Mining Co.，Ltd.）

Abstract：To determine the structural parameters of stope using upward horizontal slicing filling mining method in Alhada lead-zinc mine，related research is carried out.A total of 2 kinds of numerical models including reserving top pillar without sill pillar and reserving sill pillar without top pillar were built by Flac3D numerical simulation software，the step-by-step simulation was used to calculate the stress and displacement distribution laws of each scheme in the recovery process，and the advantages and disadvantages of the schemes were analyzed and compared from the tensile stress，the upward swelling degree of floor and downward settling degree of roof，respectively.The results showed that tensile stress concentration occurred in the roof and floor of the goafs for both schemes after the first slicing excavation and the stress concentration occurred in wall rocks on both sides of the goaf; in the scheme of reserving sill pillar without top pillar，the tensile stress obviously declines to only around 2.30 MPa.So the scheme of reserving sill pillar without top pillar was selected as the stope structure layout form of upward horizontal slicing filling mining method in Alhada lead-zinc mine.

Keywords：numerical simulation;deep mining;stope structural parameter;top pillar;sill pillar;filling mining method

收稿日期：2021-11-30; 修回日期：2022-03-10

基金項目：中國博士后科學基金面上項目（2021M702015，2021MD703874）

作者簡介：周亞博（1986—），男，河南鄭州人，工程師，碩士，從事金屬礦山開采理論研究等工作;內蒙古自治區錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗滿都鎮，錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，026399;

E-mail：zhouyabo@sd-gold.com1373F831-A21B-4262-81DE-7CEF6D6C13CD