無(wú)底柱分段崩落采礦法地壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬分析

童玉升 李士超 王攀 陳宜華3

摘要：夏甸金礦主要采用無(wú)底柱分段崩落采礦法對(duì)厚大礦體進(jìn)行開(kāi)采，隨著開(kāi)采深度增加，采場(chǎng)地壓逐漸增大，且礦巖屬性較易因開(kāi)采擾動(dòng)發(fā)生次生應(yīng)力場(chǎng)變化，導(dǎo)致地壓災(zāi)害產(chǎn)生。基于Flac3D軟件對(duì)深部采場(chǎng)地壓活動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析采場(chǎng)地壓變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)回采進(jìn)路中頂?shù)装逅綉?yīng)力較大，兩幫垂直應(yīng)力較大;在靠近回采工作面處的頂板中水平應(yīng)力出現(xiàn)集中;相鄰進(jìn)路之間應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移。回采過(guò)程中需要對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行水平應(yīng)力監(jiān)測(cè)，回采進(jìn)路時(shí)要注意對(duì)相鄰進(jìn)路進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：無(wú)底柱分段崩落采礦法;Flac3D軟件;數(shù)值模擬;應(yīng)力分布;地壓規(guī)律;地壓監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TD853.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2022）06-0032-03doi：10.11792/hj20220607

地下開(kāi)采礦山在開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)中的原始應(yīng)力場(chǎng)遭到破壞，巖體中的應(yīng)力重新分布，形成次生應(yīng)力場(chǎng)。開(kāi)采前了解巖體中應(yīng)力場(chǎng)的分布特點(diǎn)，對(duì)選擇合適的采礦方法和合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要意義[1-4]。

招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦（下稱“夏甸金礦”）主采礦體裂隙較發(fā)育，巖體不完整，圍巖破碎程度高，主要采用無(wú)底柱分段崩落采礦法回采。隨著開(kāi)采深度的增加，采場(chǎng)地壓逐漸增大，且受開(kāi)采擾動(dòng)的影響，易產(chǎn)生次生應(yīng)力場(chǎng)變化，導(dǎo)致地壓災(zāi)害產(chǎn)生。本文基于Flac3D軟件對(duì)深部采場(chǎng)地壓活動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析采場(chǎng)地壓變化規(guī)律，為深部礦體的安全高效開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

夏甸金礦主采礦體分布在招平斷裂帶中段的芝下—姜家窯斷裂帶下盤，工業(yè)礦體主要賦存于斷裂帶下盤40 m內(nèi)，而斷裂帶下盤次級(jí)構(gòu)造極發(fā)育，圍巖蝕變程度高，從斷裂帶往斷裂帶下盤，其蝕變巖分帶依次是斷層泥帶、黃鐵絹英巖化碎裂巖帶、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶和黃鐵絹英巖化花崗巖帶，礦體主要賦存于黃鐵絹英巖化碎裂巖帶，部分延伸入黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶中，裂隙發(fā)育，巖體不完整，因此圍巖的破碎程度高[5]。

夏甸金礦現(xiàn)階段主要開(kāi)采水平為-740 ～-700 m，厚大礦體主要采用無(wú)底柱分段崩落采礦法開(kāi)采。無(wú)底柱分段崩落采礦法影響區(qū)域地壓顯現(xiàn)較其他地方強(qiáng)烈，進(jìn)路冒頂和片幫發(fā)生的頻率更高。目前，在開(kāi)采過(guò)程中，由于深部采場(chǎng)地壓較高且易受開(kāi)采擾動(dòng)的影響，深部采場(chǎng)及巷道中部分區(qū)域出現(xiàn)了頂板冒落、頂板圍巖破碎、兩側(cè)巖壁片幫等現(xiàn)象[6-7]。因此，有必要對(duì)深部采場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，掌握其地壓分布規(guī)律，從而采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)控制和減小地壓。

2 基于Flac3D軟件的數(shù)值模擬

2.1 力學(xué)參數(shù)

基于礦山開(kāi)采整體穩(wěn)定性分析，依據(jù)礦山巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，巖體參數(shù)經(jīng)過(guò)折減處理后，確定了此次數(shù)值模型中的巖體物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

本次采用Flac3D軟件模擬礦山無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)單翼階梯回采。本次模擬主要分析在單翼階梯回采過(guò)程中采場(chǎng)的應(yīng)力變化情況，模擬過(guò)程中相鄰進(jìn)路的回采進(jìn)度相差10 m，不同模型之間回采進(jìn)度相差5 m，其回采過(guò)程如圖1所示。

本次數(shù)值模擬以夏甸金礦-740 m中段無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)為工程背景，模型長(zhǎng)×寬×高為180 m×185 m×180 m。無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)長(zhǎng)度40 m，高度40 m，分段高度10 m，進(jìn)路間距10 m，目前采用的回采方式為單翼階梯回采。根據(jù)礦山采場(chǎng)工程概況建立模型[8-9]，如圖2所示。

2.3 初始應(yīng)力平衡

實(shí)際地下開(kāi)采模擬過(guò)程中，默認(rèn)自重應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且塑性變化還未發(fā)生，即位移和塑性變化為零，故在礦體開(kāi)挖計(jì)算之前通過(guò)命令設(shè)置，將自重應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中的位移和塑性變化清零，僅保存其應(yīng)力場(chǎng)，如圖3所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 沿走向應(yīng)力分布

對(duì)回采進(jìn)路沿走向應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4～6所示。從圖4～6可以看出：回采進(jìn)路的頂板及底板中出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大水平應(yīng)力值為32.8 MPa，未進(jìn)行回采的進(jìn)路頂?shù)装逯袘?yīng)力值較小，平均值為26.0 MPa;同時(shí)由于相鄰進(jìn)路回采的影響，同一分段未回采的進(jìn)路頂板中也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中。這說(shuō)明在同一分段內(nèi)，一條進(jìn)路的回采會(huì)使得該分段內(nèi)相鄰進(jìn)路頂板中應(yīng)力增加，即進(jìn)路在回采過(guò)程中會(huì)將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至相鄰的進(jìn)路中，使得其應(yīng)力值增加。

此外，從圖4～6還可以看出：在剛開(kāi)始回采時(shí)（第二條進(jìn)路回采15 m），回采進(jìn)路頂板中并沒(méi)有較大的應(yīng)力集中，其最大水平應(yīng)力值為29.0 MPa;當(dāng)回采至一定距離（回采20 m），頂板中水平應(yīng)力值增大至32.8 MPa，這表明在單翼階梯回采過(guò)程中，頂板中的水平應(yīng)力值并不是一直很大，只是在回采至一定階段（約20 m）時(shí)，頂板中的水平應(yīng)力才會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的值。

3.2 垂直應(yīng)力分布

對(duì)回采進(jìn)路垂直應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：回采進(jìn)路的兩幫出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力值為29.2 MPa，而且下分段回采進(jìn)路兩幫垂直應(yīng)力明顯大于上分段。對(duì)比回采過(guò)程中最大垂直應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，隨著回采長(zhǎng)度增加，回采進(jìn)路兩幫中的垂直應(yīng)力逐漸下降，下降幅度較小。

3.3 垂直走向應(yīng)力分布

對(duì)回采進(jìn)路垂直走向應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖8所示。回采過(guò)程中，在靠近回采工作面的區(qū)域，回采進(jìn)路頂板中水平應(yīng)力有一定的增加，最大值為57.1 MPa;遠(yuǎn)離工作面一段距離（約為4 m）后，頂板中的水平應(yīng)力值又恢復(fù)正常，正常值平均為47.5 MPa;在回采進(jìn)路的末端，即靠近分段聯(lián)絡(luò)巷的區(qū)域，回采進(jìn)路頂板中水平應(yīng)力又有一定的增加，最大值為52.5 MPa，回采進(jìn)路末端應(yīng)力增加區(qū)域的長(zhǎng)度約為2 m。因此，在一定程度上可以說(shuō)明，為什么回采進(jìn)路和分段聯(lián)絡(luò)巷的交叉口巖體破碎程度高。下分段的進(jìn)路中也有類似的應(yīng)力分布特點(diǎn)，即進(jìn)路在未回采時(shí)，其頂板中的水平應(yīng)力就呈現(xiàn)兩端應(yīng)力高，中間應(yīng)力低的特點(diǎn)。因此，支護(hù)工作也可以據(jù)此有針對(duì)性地展開(kāi)，在回采進(jìn)路工作面附近及末端保證足夠的支護(hù)強(qiáng)度，在回采工作面后方4 m及以后的范圍，支護(hù)工作可以相對(duì)減少。

4 支護(hù)建議

根據(jù)對(duì)深部采場(chǎng)地壓活動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析所得的地壓分布規(guī)律，夏甸金礦在單翼階梯回采過(guò)程中可采用多種針對(duì)性措施控制和減小地壓。回采進(jìn)路的頂板水平應(yīng)力值在回采至一定距離（約20 m）時(shí)會(huì)突然增大，因此僅在回采進(jìn)路20 m后提高支護(hù)強(qiáng)度，減少了回采進(jìn)路工作面整體的支護(hù)工作;在回采進(jìn)路工作面附近及末端加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，減少了工作面后方的支護(hù)工作。

這些舉措不僅可以有效改善回采進(jìn)路中的應(yīng)力分布狀態(tài)，保障采場(chǎng)作業(yè)安全，而且有利于減輕支護(hù)工作壓力，提高出礦效率，擴(kuò)大礦山生產(chǎn)能力，對(duì)夏甸金礦深部開(kāi)采工作具有積極的意義。

5 結(jié) 論

1）無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)回采進(jìn)路中頂?shù)装逅綉?yīng)力較大，兩幫垂直應(yīng)力較大，在靠近回采工作面處的頂板水平應(yīng)力出現(xiàn)集中，遠(yuǎn)離回采工作面一段距離（約為4 m）后，頂板水平應(yīng)力值恢復(fù)正常。回采時(shí)，要注意靠近回采工作面巖體頂板的穩(wěn)定性。采場(chǎng)中位移量較小，回采進(jìn)路收縮量小。

2）同一分段內(nèi)在進(jìn)行回采時(shí)，相鄰進(jìn)路之間應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，因此在回采進(jìn)路時(shí)要注意對(duì)相鄰進(jìn)路中應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

3）在單翼階梯回采過(guò)程中頂板水平應(yīng)力并不是一直保持一個(gè)很大的值，因此在回采前20 m時(shí)并不需要很多支護(hù)工作，支護(hù)工作的重點(diǎn)是回采進(jìn)路的20 m后。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Numerical simulation analysis of ground pressure appearance laws

of pillarless sublevel caving method

Tong Yusheng1，Li Shichao2，Wang Pan3，Chen Yihua3

（1.Xiadian Gold Mine，Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.

;

2.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.;

3.School of Energy and Environment，Anhui University of Technology）

Abstract：The Xiadian Gold Mine mainly mines thick and large ore bodies by pillarless sublevel caving method.As the mining depth increases，the ground pressure increases gradually，and the mineral properties are more susceptible to secondary stress field changes due to extraction perturbations，leading to ground pressure disasters.Based on Flac3D software to numerically model the activity of deep stope ground pressure，the law of stope ground pressure change is analyzed.Numerical simulation results showed that the horizontal stress of roof and floor was larger and the vertical stress of two sides was larger in the recovery access of pillarless sublevel caving method;horizontal stress appears concentrated in roof close to the extraction working surface;stress transfer in adjacent accesses occur.Horizontal stress monitoring of the roof of the stope is required during recovery process，and the stress should be monitored on the adjacent access when one access is recovered.

Keywords：pillarless sublevel caving method;Flac3D software;numerical simulation;stress distribution;ground pressure law;ground pressure monitoring

收稿日期：2021-11-20; 修回日期：2022-04-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0801605）

作者簡(jiǎn)介：童玉升（1990—），男，山東招遠(yuǎn)人，工程師，從事金屬礦山開(kāi)采工藝技術(shù)研究工作;山東省招遠(yuǎn)市夏甸鎮(zhèn)，招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦，265414;E-mail：chenyh_1234@163.com

通信作者，E-mail：chenyh_1234@163.com，13956233927