安庆铜矿深部开采-400 m隔离矿柱稳定性分析

张友锋， 张耀平， 王 林

（1.江西理工大学应用科学学院,江西 赣州 341000;2.安庆铜矿,安徽 安庆 246131）

安庆铜矿深部开采-400 m隔离矿柱稳定性分析

张友锋1， 张耀平1， 王 林2

（1.江西理工大学应用科学学院,江西 赣州 341000;2.安庆铜矿,安徽 安庆 246131）

采用拉格朗日非线性程序，数值模拟计算与分析了安庆铜矿l#矿体-400 m水平隔离矿柱在深部矿体开采过程中的力学效应显现规律.研究结果表明：隔离矿柱在上部矿体开采后，因覆盖岩体卸载产生了应力释放，呈现“凸起”垂直位移变形；在深部厚大矿体开采扰动下，隔离矿柱局部区域应力集中，部分区域发生塑性变形，呈现应力拉力拱现象，产生下向变形位移，与矿山常规位移变形监测结果近似.综合分析，隔离矿柱在深部矿体开采过程中整体稳定性良好.

采矿工程；隔离矿柱；深部开采；数值模拟

0 引 言

安庆铜矿是一座实行强化开采的大型新模式矿山，其1#主矿体采用高阶段(120 m)大直径深孔嗣后充填采矿法开采,分两步骤回采，先采矿房，后采矿柱，矿房用尾砂胶结充填，矿柱用尾砂充填.首采区域位于-280～-385 m中段之间，开采矿体走向长300 m，采场宽为 10～15 m，高 105～120 m，长为矿体厚度，约30～40 m，该部分矿体目前已经全部开采完毕，矿岩稳定性良好.矿山开采范围转入-400 m以下中段，其中-400～-510 m中段西部区域矿体厚大，采场垂直矿体走向布置,长 80～110 m，宽 15 m，高 114 m.该深部区域矿体开采特征具有单个采场采空区暴露面积大，开采矿石贮量大，出矿延时长，岩体中水平构造应力作用明显.为了保证深部矿体回采的安全，在-385～-400 m垂直方向上设置15 m厚的-400 m水平隔离矿柱.-400 m水平矿柱属于重要的临时采矿工程结构体，与充填体、矿柱及上下盘围岩共同相互作用，保持矿区的整体稳定性.一旦水平矿柱发生突变失稳，势必造成深部采场地压剧烈显现，采空区上下盘围岩急剧移动变形，影响水平矿柱的安全回收，甚至可能诱发深部矿体开采的灾害性事故发生.因此分析-400 m水平矿柱在深部开采过程中的稳定性情况，对矿山安全生产有重大的现实意义.本文利用FLAC3D程序对矿体开采过程实现数值模拟计算的结果，结合矿围岩变形的现场监测数据，综合分析-400 m水平隔离矿柱的稳定性问题[1-4].

1 数值分析计算模型

1.1 几何模型

采用三维快速拉格朗日连续分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)FLAC3D3.0做研究平台[5-7]，模拟安庆铜矿1#矿体深部区域开采过程中-400 m隔离矿柱的应力显现规律.基于FLAC3D对计算单元几何特征参数的要求，以及稳定性分析对介质尺寸的考虑，建立研究对象的几何模型，其过程是：

（1）对矿区坐标进行变换，设置能直观反应分析模型几何特征的坐标轴.坐标变换后坐标轴设置结果为：X轴垂直矿体走向布置，正方向从矿体上盘指向矿体下盘；Y轴沿矿体走向布置，正方向由矿体西至东；Z轴正方向与高程增加方向相同.

（2）根据地质勘探线剖面图、中段平面设计图，构建矿体几何模型.在模型中，矿体采用10 m×15 m×10 m正六面体单元进行离散；其相邻围岩单元按比例缩放，满足矿体的边界条件计算精度要求.

矿体几何模型的范围在3个坐标方向依次为：垂直方向（Z轴）从-220～-620 m水平；沿矿体走向方向（Y轴）取0线为中心向两侧扩展，全长450 m；矿体倾向方向（X轴）以矿体为中心向上下盘扩展，矿体宽度280 m.几何模型总计35315个初始单元数，38868个初始节点.安庆铜矿矿体计算几何形态及划分单元见图1.

（3）对矿体模型进行打包，以此为基础向外发散，形成研究对象的几何模型.整个计算几何模型的范围在3个坐标方向依次为：垂直方向（Z轴）从40～-1020 m；X轴方向全长880 m，Y轴全长1500 m.几何模型有186459个初始单元数，193332个初始节点.整体几何计算模型-400 m中段水平剖面图如图2.

1.2 地应力场及模型边界条件的确定

根据实测资料结果[8-9]，安庆铜矿地应力的回归方程如式（1）～式（3）所示：

图1 安庆铜矿矿体计算几何模型

图2 -400 m中段平面计算几何模型

矿区地应力以水平构造应力为主，在-220 m以下区域水平构造应力大于自重应力；最大主应力方向由NE到近EW向，自重应力的大小随深度增加近似线性增加.将模型顶部边界设定为自由边界，底部边界施加垂直方向的位移约束，侧面施加水平位移约束.模型垂直方向应力由自重应力作用形成，侧面端面边界分别施加地应力水平应力分量.

1.3 矿岩力学参数

矿体开采区域主要有4种岩体：大理岩、闪长岩、矽卡岩和矿石，矿体上盘围岩为角砾状大理石，矿体下盘围岩为矽卡岩石、蚀变闪长岩.其中矽卡岩力学参数与闪长岩相近，故在建模时将其归于闪长岩一类.

采场的充填体介质有2种：①作为采场假底的高配比尾砂胶结充填体 (灰砂比为1∶4)；②矿柱采场的非胶结尾砂充填体.计算模型中各种介质的物理力学参数取值列于表1[10].

表1 安庆铜矿计算模型中各种介质的力学参数

1.4 介质力学模型与破坏准则

围岩、矿体是典型的地质材料,本文将2种力学属性不同的介质，均视为各向同性的弹塑性连续介质.

矿岩和充填体均采用莫尔库仑 (Mohr-Coulomb)屈服准则[11]，如式（4）所示：

式 （4） 中：σ1，σ3分别为最大主应力和最小主应力；c、Φ分别为内聚力和内摩擦角.当fs＞0时，材料将发生剪切破坏.在计算模拟过程中，变形模式设置为大变形.

2 结果分析

（1）-400 m水平矿柱上部矿体回采后，矿柱水平面应力和位移状态见图3.矿柱垂直位移为正，产生向上“鼓起”变形.垂直位移变形区域形态近似呈椭圆形分布，其长轴与矿体走向近似成水平方向产出，长度约为150 m，短轴约为80 m；可见水平矿柱垂直位移变形区域分布形态与其上部回采矿体形态相关.垂直凸起变形区域最大位移值为0.9～1.29 cm，矿柱岩体未见塑性变形发展状态.-400 m矿柱水平剖面上最小主应力约为-17.00 MPa，与原岩地应力相比，上部矿体回采区域所对应的楼板岩体部分，形成明显的最小主应力降低区，其最小主应力值为-13.00～-12.94 MPa，应力释放值约为4.00 MPa；水平矿柱上下盘围岩等接触处存在最小主应力值集中现象，其最小主应力值为-23.34～-23.00 MPa；最大主应力在水平矿柱中存在明显降低区，其围岩的最大主应力值为-3.00～-1.27MPa.与此同时，-400 m水平矿柱中并未产生“凸起”变形而出现拉应力，但其最大主应力降低明显，有出现拉应力的趋势.

图3 －400 m中段上部矿体回采后-385～-400 m矿柱水平面应力状态

（2）-400～-510 m中段0至3线西部矿房回采后，水平矿柱水平面受力见图4.-400 m水平矿柱下部矿房的矿体回采后，水平矿柱上产生的“凸起”位移相对减少，“凸起”现象有减弱，但位移变形方向未发生变化，垂直位移最大值为0.90～1.07cm；水平矿柱西部部分区域形成剪切塑性变形，未见塑性变形发展或贯通.此时水平矿柱中的最小主应力形成降低区，与楼板上部矿体回采后相比，应力降低区域范围明显减小.在楼板0线与1线间的岩体中，其最小主应力原降低区变成应力增加区域；-400 m水平矿柱上、下盘围岩接触处存在明显的应力集中现象，最小主应力值为-24.60～-24.00 MPa；在矿体走向的西部围岩中，形成应力降低区域，应力值较原岩应力减小3～4 MPa；-400 m楼板因下部东部矿房的开采，最小主应力向上、下盘的围岩中转移集中，同时在开采区域所对应的水平矿柱中其沿走向两端出现明显的应力释放；可见水平矿柱中最小主应力由应力释放转变成应力集中，趋近于原岩应力值.-400 m楼板中最大主应力降低区域进一步向西部扩大，应力值为-2.00～-1.00 MPa；最大主应力在采区顶板与上、下盘围岩等接触处存在升高区，其最大主应力值为-12.10～-12.00 MPa；但-400 m水平矿柱中未出现拉应力状态.

3 -400 m水平矿柱沉降位移监测结果

安庆铜矿-400 m水平矿柱沉降位移监测结果见图5.观测点变形曲线是以监测点号为横坐标，以每个监测点的年累计沉降变形值为纵坐标绘制成的曲线见图5[12].从2007年至2009年这3年监测数据结果分析，-400 m水平矿柱岩体沉降变形趋势大体相同，水平矿柱中也经历了由凸起向上垂直位移向下变形的过程，现场监测变形数据与数值分析变形结果相近.总体上-400 m水平矿柱变形位移值较小，楼板监测变形稳定性良好.

4 结 论

图4 -400～-510 m中段西部矿房回采后-400 m水平矿柱应力状态

图5 安庆铜矿-400 m水平矿柱沉降变形图

（1）数值计算结果表明，-400 m水平矿柱在其上部矿体开采后，因上部岩体开采卸载而产生垂直凸起位移，开采区域对应的楼板中的最小主应力减少，呈现应力释放效应，其上部矿体开采扰动未对水平矿柱稳定性构成影响.在水平矿柱下的西部厚大区域矿房开采后，楼板中的凸起垂直变形位移减弱，并有部分楼板发生向下变形位移；最小主应力增大，应力集中，该区域部分岩体发生塑性变形；同时应力向楼板上下盘围岩中转移.楼板岩体稳定性良好.

（2）数值计算和监测结果表明，数值模拟分析结果与现场监测数据很相近，可见FLAC3D数值模拟分析结果在安庆铜矿-400 m水平矿柱稳定性分析研究中还是可靠的.

（3）根据安庆铜矿深部矿体开采对-400 m水平矿柱扰动规律的研究，建议矿山在后续深部开采中加强-400 m水平矿柱的变形监测和应力控制，以实现矿山后续的安全回采工作.

[1]刘道昆.高阶段采场稳定性分析及回采工艺技术研究[J].有色金属，2008,60(3):4-5.

[2]钱鸣高.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[3]赵兴东.谦比希矿深部开采隔离矿柱稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2010(29):2619-2623.

[4]王文杰，任风玉，周宗红,等.夏甸金矿采矿方法过渡期临时矿柱尺寸确定方法研究[J].中国矿业,2007,16(4)：61-63.

[5]蔡嗣经，张 栋，何 理.地震中尾矿库液化失稳机理及数值模拟研究[J].有色金属科学与工程，2011(4):1-6.

[6]张友锋,袁海平.FLAC3D在地震边坡稳定性分析中的应用[J].江西理工大学学报，2008(5):23-26.

[7]江文武,徐国元.复杂采矿条件下临时水平矿柱稳定性分析[J].金属矿山，2010(3):29-33.

[8]董 诚 ,王连捷，杨小聪，等.安庆铜矿地应力测量[J].地质力学学报，2001(3):259-264.

[9]张子海.安庆铜矿的地应力测量与研究[J].有色矿山，1996(6):16-20.

[10]杨小聪,陈忠辉.安庆铜矿开采过程的数值模拟[J].有色金属,2002(2):82-87.

[11]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[12]卢志刚，李杰平.基于空间数据挖掘城市地价时空分析[J].江西理工大学学报，2011（5）：75－79.

Stability analysis of-400 m level insulating pillar of deep excavation in Anqing copper mine

ZHANG You-feng1,ZHANG Yao-ping1,WANG Lin2

(1.School of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Anqing Copper Mine,Anqing 246131,China)

This paper studies the stability analysis of-400 m level insulating pillar of deep excavation of l#orebody of Anqing Copper Mine with FLAC3D.The results verify that the strain effect diminishes and bump vertical displacement deformation changes in the insulating pillarfor the unloading of upper ore-body mining.Due to disturbance of large and thick in-depth mining,stress concentration and parts of the plastic deformation are formed.Tension arch and downward displacement deformation change in the insulating pillar.The displacement deformation approximates conventional displacement deformation monitoring results of the insulating pillar.The overall stability of the insulating pillar in deep mining is good.

mining engineering;insulating pillar;deep mining;numerical simulation

TU452

A

1674-9669（2011）06-0062-06

2011-07-20

江西理工大学校级课题自然科学类资助项目（jxxj11152）

张友锋（1979- ），男，讲师，主要从事岩层控制与数值模拟方向研究，E-mail:honestzyf@sina.com.