基于FLAC3D的主層開采對副層底部結構穩定性的影響研究①

楊懷志，譚卓英，夏志遠，洪 偉

（1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083）

自然崩落法自1895年在美國試驗成功以來，經120多年不斷發展，已在全球許多座礦山中成功使用［1］。它具有效率高、規模大、鑿巖工程量小、成本低等優點，是可與露天開采相媲美的采礦方法。

底部結構穩定性關乎自然崩落法礦山能否正常運行。隨著拉底工程不斷推進，底部結構會出現巨大的應力變化［2?4］，不同的拉底順序對底部結構影響不一樣［5］，對底部巷道變形破壞機理也不相同［6］，需要相應的支護方案來有效控制圍巖變形［7?8］。同時崩落的礦巖以及放礦量對底部結構壓力也有影響［9?11］。綜上所述，國內外學者就底部結構的支護、放礦以及不同拉底方式等對底部結構的穩定性都進行了研究分析，但關于自然崩落法礦山主層開采擾動對副層底部結構穩定性影響的研究頗少。本文以銅礦峪銅礦為研究背景，通過實地調研發現，隨著主層拉底與放礦，4＃礦體副層部分出礦穿脈和裝礦進路區域存在坍塌、掉底等嚴重的地壓災害現象，因此針對主層開采擾動下副層底部結構的穩定性開展了研究。

1 工程概況

銅礦峪礦二期工程是一期工程4＃、5＃主礦體深部的延續。4＃礦體沿斜坡呈巨大透鏡體和板狀，礦體傾向于以分支形式向西延伸。礦體沿走向長980 m，沿傾向延深900 m以上。4＃礦體在570～690 m之間平均厚度164 m，最大厚度296 m。570～690 m之間自然崩落法采礦范圍內儲量4＃礦體占54.6%。二期工程設計年生產能力600萬噸，主要包括690 m以下530 m中段和410 m中段。4＃和5＃礦體554 m是530 m中段最主要的一個出礦水平，同時因為2個礦體傾角較緩，為了更好地回收主層底盤礦石，在4＃礦體底盤分別布置了584 m和614 m副層出礦水平。主層布設在礦體上盤，副層布置在礦體下盤，并且主副層都采用自然崩落法進行回采，拉底方式為后退式拉底。

2 數值模型的建立

2.1 數值模型的建立

根據銅礦峪地壓實際情況，選取4＃礦體530 m中段614 m副層為例進行研究。建立數值模型長?寬?高＝580 m?450 m?350 m，數值模型共計1 070 014個單元。在614 m副層中布設了4條出礦穿脈、6條拉底巷道、15條出礦進路和15個聚礦溝，614 m出礦水平對應模型高度140 m，設此水平即為模型Z＝0的位置，出礦水平距離拉底水平階段高度10 m，主層與副層拉底高度均設置為12 m；相鄰裝礦進路距離15 m，兩相鄰出礦穿脈距離30 m，它們呈55°角相交，分支鯡魚骨布置形式；出礦穿脈尺寸3.8 m×3.2 m，裝礦進路斷面設計為3.8 m×3.2 m，聚礦槽上底13 m×10 m、下底11 m×6.4 m。614 m副層只布置底部結構和拉底層，不布置出礦層，模擬底部結構應力以及塑性區的變化。因出礦穿脈、裝礦進路和聚礦溝開挖對副層影響較小，554 m主層只布置拉底水平以上的拉底層和落礦層，拉底層垂直走向長160 m，走向方向簡化為推進線對角方向，554 m水平拉底底端部標高距離模型底部邊界140 m。開挖分兩次進行，開挖高度分別為12 m和24 m，由此來模擬主層拉底和落礦。如圖1所示。

圖1 FLAC3D模型內部結構

2.2 物理力學參數及邊界條件

根據巖石試件的室內試驗，并將黏聚力和內摩擦角通過Hoek?Brown與Mohr?Coloumb準則等效換算，最終確定的巖體力學參數見表1。

表1 巖體力學參數

計算模型側面與底部固定，垂直方向施加初始應力，模型中應用的實測地應力通過應力張量轉化公式計算獲得，并根據模型高度將轉換后的地應力擬合成函數形式，加載到模型中。關于Z函數的數值模型中施加的最大主應力、中間主應力和最小水平主應力函數關系式為：

2.3 模擬方案

本次建立的主層開采對副層底部結構穩定性影響模擬過程為：

1）未采動，原巖應力狀態；

2）開挖拉底巷道，出礦穿脈，裝礦進路與聚礦槽，形成副層底部結構；

3）進行副層拉底；

4）主層沿對角線第一次拉底；

5）主層沿對角線第二次拉底；

6）主層進行落礦。

3 計算結果分析

3.1 底部結構最大主應力分析

通過上述步驟，對模型進行剖面處理，模擬554 m主層拉底12 m與落礦24 m對614 m副層底部結構XOY剖面與XOZ剖面最大主應力的影響，如圖2所示。由圖2可知，副層拉底后，隨著拉底推進，拉底空間下方出礦水平壓應力被釋放，拉底范圍內壓應力比最初底部結構形成時明顯減小，壓應力集中逐漸被推到拉底推進線附近，拉底完后，壓應力向出礦水平四周轉移，壓應力值達到21 MPa；開挖后，壓力轉移到周圍空間，驗證了壓力拱原理。副層拉底后，拉底空間下方的出礦穿脈和桃形礦柱均處于壓應力釋放區；主層拉底后，最大主應力為壓應力，其值與副層拉底相比增大了約10%，此時壓應力集中區域主要為裝礦進路交匯于穿脈位置處，達到23.2 MPa，且出礦水平聚礦溝位置有壓應力轉拉應力的趨勢，因此應加強聚礦溝支護。主層拉底后，拉底空間下方底部結構桃形礦柱處于壓應力釋放區的狀態基本不發生改變。而出礦水平周圍壓應力明顯增加，這是由于主層拉底礦巖崩落后，所形成的壓力拱跨度增加，作用在副層底部結構上，使得底部結構應力集中；主層崩落礦巖24 m后，614 m副層出礦水平主副層交界處壓應力明顯增加，達到32.1 MPa，同比增長約40%。說明554 m主層在形成貫通前拉底與出礦會導致副層出礦水平附近壓應力急劇升高。主層出礦后主層拉底空間壓力拱由副層底部結構應力集中造成，不利于副層底部結構的穩定。

3.2 底部結構最小主應力分析

XOY剖面和XOZ剖面最小主應力演化特征如圖3所示。由圖3可知，614 m副層拉底后，最小主應力為正，為拉應力，主要集中在裝礦進路與出礦穿脈交匯處。隨著拉底面積延伸，拉應力達到3.6 MPa。而拉底空間下方桃形礦柱出現拉應力集中，達到4.7 MPa，這主要是礦山水平應力大造成的，所以在拉底后，雖然拉底范圍內出礦穿脈壓應力得到釋放，但拉應力增強，這是礦山會反復來壓的原因。一開始在推進線前方來壓是壓力拱造成的壓破壞，后期隨著拉底面積擴大，出礦穿脈受到拉剪破壞。桃形礦柱尖部也會出現拉應力集中，所以應加強桃形礦柱和出礦穿脈的支護。在拉底空間頂部也會出現拉應力集中，這有利于頂部礦石崩落。主層拉底后，聚礦溝與出礦進路拉應力略有減小，為3.2 MPa。拉底空間下方桃形礦柱較拉底前拉應力值也略有減小，為4.3 MPa。554 m主層出礦后，614 m副層出礦水平拉應力主要還是集中在裝礦進路與聚礦溝周圍，與主層拉底后相比變化不大，為3.4 MPa，桃形礦柱拉應力集中程度較主層拉底基本保持一致。這說明副層底部結構拉底空間下方出礦水平和桃形礦柱會因主層開采崩落而發生一定程度拉應力減小，并且主層開采面積達到一定值后，出礦水平和桃形礦柱拉應力基本保持穩定。

3.3 塑性區變化分析

XOY剖面和XOZ剖面塑性區演化特征見圖4。由圖4可知，614 m副層拉底后，應力場重分布，塑性區主要分布在開挖的出礦穿脈與裝礦進路周圍。因礦山最大主應力位于水平方向，而出礦穿脈與最大主應力呈現大角度斜交，這會對出礦穿脈造成拉剪破壞。桃形礦柱頂部也出現較為明顯的塑性區，需要加強出礦穿脈和桃形礦柱的支護。554 m主層拉底后，614 m

副層出礦水平端部塑性區明顯擴大，且在出礦水平主副層交界處桃形礦柱塑性區出現了貫通的現象，這會導致出礦穿脈和桃形礦柱坍塌。所以主層拉底對副層地壓影響較為顯著。554 m主層出礦后，614 m副層出礦水平塑性區比拉底后繼續增加。此時在出礦水平主副層交界處桃形礦柱塑性區繼續增大，這會導致出礦穿脈和桃形礦柱發生拉剪破壞。

4 副層底部結構失穩機理分析

運用自然崩落法開采時，初始應力平衡狀態會被底部結構拉底工程所破壞。拉底工程后，拉底空間上部礦巖會在重力及其構造應力作用下逐漸崩落，而隨著崩落發展，圍巖中應力將發生變化，切向應力會隨著工程擴大而逐漸增大，從而形成圍巖壓力拱，并不斷擴展。礦山系統壓力拱計算公式為：

式中b1為采場走向跨度的一半，m；b2為拉底空間周圍壓力拱跨度的一半，m；h0為拉底空間高度，m；φ為采場圍巖內摩擦角，（°）。

壓力拱跨度計算示意圖如圖5所示。隨著拉底推進和采場內上覆巖層崩落高度增加，壓力拱跨度不斷增加。且隨著崩落高度不斷增大，拱角處角度逐漸趨于垂直，由壓力拱理論可知，壓力拱拱角處將形成應力集中區域，隨著礦體不斷崩落，拱角處應力由剪應力集中變為壓應力集中。所以副層拉底前方底部結構會始終處于壓應力集中區域。很容易產生底部結構應力集中，雖然拉底之后拉底范圍內的出礦穿脈壓應力得到釋放，但拉應力增強，這是礦山會反復來壓的原因，這極大地增大了底部結構發生地壓破壞的概率。主、副層疊加壓力拱效應使得主副層拉底推進線前方底部結構處于高應力集中區域，因此必須采取措施使壓力拱范圍內底部結構強度高于拱角應力強度，才能避免推進線前方底部結構發生破壞。

圖5 壓力拱跨度計算示意圖

由副層底部結構應力演化規律與塑性區特征分析可知，隨著拉底推進和礦石崩落，壓應力集中區域主要為裝礦進路交匯于穿脈位置處，且出礦水平聚礦溝位置有壓應力轉拉應力的趨勢。隨著壓力拱逐漸向四周擴展，應力也隨即朝著周圍傳遞，以拱狀形式包裹著整個采場，導致副層預先拉底推進線前方底部結構壓應力出現應力集中現象。然而副層底部結構拉底空間下方出礦水平和桃形礦柱又會因主層開采崩落而發生一定程度拉應力減小。由壓力拱理論可知，應力集中區域主要在拱角位置處，副層底部結構壓應力也會隨著主層拉底面積擴大而逐漸增大。主層拉底面積增大及隨著礦石不斷崩落，壓力拱跨度逐漸增大，使得副層時刻處于主層開采形成的壓力拱拱角應力下，地壓破壞伴隨著副層整個回采過程。且主副層形成貫通前，拉底與出礦后會導致副層出礦水平附近壓應力急劇升高。均采用自然崩落法開采的主副層便會形成壓力拱疊加現象。疊加壓力拱示意圖如圖6所示。

圖6 疊加壓力拱示意圖

銅礦峪銅礦采用后拉底方式，由數值模擬結果和疊加壓力拱理論可知，在采場推進線前方預先掘進的底部結構會受采場拱角應力擾動產生切向應力集中，壓應力也會隨著主層開采而逐漸增大，即拉底推進線前方底部結構時刻處于高應力集中區域。同時由于副層開采面積較小，拉底面積不足以使其發生持續的有效崩落，隨著主層拉底、崩落，副層時刻受主層開采產生的拱角應力影響，再加上副層拉底滯后、出礦緩慢，

5 結 論

1）拉底推進線前方副層底部結構壓應力集中程度隨著主層拉底與落礦工程增大而逐漸增大，從而導致巖體更易發生剪切破壞。

2）副層底部結構拉底空間下方出礦穿脈和桃形礦柱又會因主層開采崩落而發生一定程度拉應力減小，使其不易超過巖體抗拉強度。

3）隨著主層拉底與落礦，裝礦進路、聚礦溝以及桃形礦柱易產生應力集中，這些區域應加強支護。

4）由于疊加壓力拱效應，副層時刻受主層開采形成的壓力拱拱角應力影響，且主副層交界處地壓破壞嚴重。