露天与地下联合开采采空区稳定性分析

吴国兴

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

露天与地下联合开采采空区稳定性分析

吴国兴

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

针对拉拉铜矿露天与地下联合开采的复杂情况，采用FLAC3D分析一定的隔离矿柱支撑下采空区围岩变形及破坏特征。依据岩石力学摩尔—库伦准则，采用FLAC3D内嵌的FISH语言定义了剪切安全度及拉伸安全度两种破坏判据。依据模拟结果，为施工设计提供理论依据。

围岩变形;采空区;剪切安全度;拉伸安全度

0 引 言

露天与地下联合开采是目前国内部分矿山面临的主要技术问题之一，并且随着矿体向深部开采，这一问题会越来越突出。国内外很多学者在此方面取得了许多研究成果，南世卿等采用RFPA数值模拟程序分析断层影响下露天转地下境界矿柱稳定性[1]，韩现民等采用数值模拟技术分析露天转地下矿山边坡稳定性[2]。四川省会理县拉拉铜矿落凼矿区是凉山矿业股份有限公司大型主体铜金属矿山，现露天矿区已开采到1 986 m标高，露天产量将逐年递减。为了保证1 500 t/d的产量，该公司决定进行露天境界1 890 m以下的地下开采。露天与地下联合开采带来很多问题，地下开采的安全性和资源的损失量的矛盾关系就是主要技术问题之一，随着矿体向深部开采，这一问题将会越来越突出，为了尽最大可能的采出矿石，满足1 500 t/d的产量要求，露天和地下联合开采采空区的稳定性将是一个比较重要的问题。

1 计算模型与方案设计

1.1 模型建立及边界条件

根据计算精度与计算机计算能力的要求，矿体由3部分组成:502E－505E线;509E线、514E－517E线的3矿体;509E－517E线的12矿体、509E－513E线的33矿体。模型y方向为矿体走向方向，长度1 100 m;模型X方向垂直矿体走向方向，长度1 210 m;模型Z方向为竖直方向，模型底部标高1 636 m，顶部最高标高1 986 m，模型高度350 m。模型上部建立1 986 m、1 962 m、1 938 m、1 914 m及1 890 m 5个露天台阶。

计算域边界先施加自重应力场，然后采取位移约束。由于采动影响范围有限，在离采场较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为0。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用X、Y、Z 3个方向约束，模型X方向的两端采用X方向约束，模型Y方向的两端采用Y方向约束。模型顶部为自由边界。图1、图2分别为模型的立体图及509E剖面图。

图1 三维数值模拟计算模型Fig.1 Three－Dimensional Numerical Simulation Calculation Model

图2 509 E剖面模型图Fig.2 509E Section Model Diagram

1.2 计算方案设计

因网格单元无法尽可能太小，离散后的单元开挖很难与现场相符，该文在计算方案设计时，对计算机模拟开采进行了简化，矿房的开采分5步进行:①开采露天1 986台阶和3号矿体矿房;②开采露天1 962台阶和12号矿体矿房1;③开采露天1 938台阶和12号矿体矿房2;④开采露天1 914台阶和12号矿体矿房3;⑤开采露天1 890台阶和33号矿体矿房。每步开挖1步，对其进行模拟计算，模拟采空区形成过程时的变形及破坏规律。

1.3 初始应力场

地下开采引起的岩体应力、位移变化是在原岩初始应力状态下发生的，原岩应力直接关系到计算结果的可靠性。假定岩体为均质、连续的各项同性体，岩体的自重应力场如下:

式中:μ——泊松比;

H——岩体至地表的距离，m;

γ——上覆岩层容重，N/m;

σx、σy、σz——分别为 X、Y、Z 方向的自重应力场，MPa;

经计算，模型最大的垂直应力为10.7 MPa，模型垂直方向应力分布如图3所示。

图3 模型垂直方向应力云图Fig.3 Vertical Stress Contour of Model

1.4 破坏准则

根据拉拉铜矿的岩石性质及其组成，在FALC3D数值计算中选用了莫尔—库伦破坏准则来进行模拟，其力学模型[3－6]为:

式中:σ1——岩体最大主应力，MPa;

σ3——岩体最小主应力，MPa;

σt——岩体抗拉强度，MPa;

C——岩体内聚力，MPa;

φ——岩体内摩擦角，°。

其中，fs＜0，岩体将发生剪切破坏，在岩体处于拉应力下，当拉应力超过模型材料的抗拉强度时，即:ft＞0时，岩体将发生拉伸破坏。

2 模拟结果分析

根据计算结果，该文从剪切安全度、拉伸安全度、塑性区及垂直应力4个方面来分析5步开采完后空区稳定性，仅列出具有代表性的剖面云图。

2.1 剪切安全度分析

从图4可以看出，第5步开采后，岩体未发生剪切破坏。fs最小值是0.5 MPa，主要分布在露天境界边帮和3矿体顶底板;fs最大值是4.47 MPa，主要分布在模型底部;其余部分介于0.5～4.47 MPa之间。由于fs越大越安全，所以，露天境界边帮和3矿体顶底板是要高度注意的地方。

图4 509 E剖面剪切安全度云图Fig.4 Shear Safety Contour of 509E Section

2.2 拉伸安全度分析

从图5可以看出，第5步开采后，岩体未发生拉伸破坏。ft最小值是－9.98 MPa，主要分布在模型底部;ft最大值是－1.33 MPa，主要分布在露天境界边帮和3矿体顶底板;由于ft越小越安全，所以，露天境界边帮和3矿体顶底板是要高度注意的地方。与剪切安全度分析的结果相同。

图5 509 E拉伸安全度云图Fig.5 509 E Tensile Safety Contour

2.3 塑性区分析

矿体被开挖后，形成一定的采场空间，岩体中的原岩应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，一些部位应力集中，另一些部位应力降低。维护采场稳定性主要是依靠围岩及矿柱自身强度来控制采场跨度并支撑采场空间结构。

从图6典型剖面的塑性区分布图可以看出:地下开采产生的塑性区并未贯通到露天终了境界，此时地表岩体整体还是稳定的;矿体上部矿房开采顶板产生的塑性区很少，随着开采深度的增加，顶板塑性区增加。

如图7塑性区分布所示，矿体回采后，形成一定的开采空间，采场上方覆岩压力被空区隔绝后，通过应力平衡拱便向四周矿柱及采场两帮转移、集中，悬挂的顶板上覆岩层主要靠矿柱、顶板上方的拱形压缩区及采场两帮岩体共同支撑，这样使得矿房间柱和空区两帮的岩体大部分处于高应力屈服状态，整个采场矿柱均出现了塑性区。

图6 509 E剖面塑性区分布云图Fig.6 Plastic Zone Distribution Contour of 509E Section

图7 12矿体矿柱塑性区分布云图Fig.7 Plastic Zone Contour of 12Orebody Pillar

2.4 垂直应力分析

图8可以看出，矿体开采越深，垂直应力越大，最大垂直压应力为17.4 MPa。33矿体垂直压应力最大，主要集中在矿体的顶板，开采施工的过程中，要对顶板进行加固和支护，防止其失稳。

图9可以看出，大部分矿房间柱承受的垂直压应力为5～30 MPa之间，在高压应力的作用下，矿柱有发生剪切破坏的可能。在开采施工的过程中，要对矿柱进行加固和支护，最大可能提高其支撑能力。

图8 509 E剖面垂直应力分布云图Fig.8 Vertical Stress Contour of 509E Section

图9 12矿体矿柱垂直应力分布云图Fig.9 Vertical Stress Contour of 12Orebody Pillar

3 结 语

通过对拉拉铜矿露天与地下联合开采的模拟，其结论:

(1)围岩稳定性:岩体未发生剪切和拉伸破坏，但是局部区域安全系数较小，施工开采过程中较危险。加强露天境界边帮和矿体顶底板的保护;

(2)矿柱稳定性:矿柱处于高压应力状态，随着时间的推移，极有可能发生剪切破坏，应重点加强矿柱的保护;

(3)空区状况:全部开采后，遗留的空区面积较大，空区大的暴露面积有引起冲击地压的危险，建议在矿体开采过程中及时采用尾砂或废石充填，减少空区暴露面积，限制围岩变形，改善矿柱应力状态。

[1]南世卿，赵兴东.断层影响下境界矿柱稳定性数值分析[J].金属矿山，2005(3):28－30.

[2]韩现民，李占金，甘德清，等.露天转地下矿山边坡稳定性数值模拟与敏感度分析[J].金属矿山，2007(6):8－12.

[3]何忠明，曹平.考虑应变软化的地下采场开挖变形稳定性分析[J].中南大学学报:自然科学版，2008，39(4):641－646.

[4]谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报，1999，18(4):397－401.

[5]余学义，尹士献，赵兵朝.采动厚湿陷性黄土破坏数值模拟研究[J].西安科技大学学报，2005，25(2):135－138.

[6]王文星.岩体力学[M].长沙:中南大学出版社，2004:184－185.

Analysis on Goaf Stability for Combined Mining in Open－Pit and Underground

WU Guo－xing
(Kunming Engineering＆ Research institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on complex situation of combined open and underground mining in Lala Copper Mine，the rock deformation and failure features of goaf surrounding rock under the support of isolated pillar were analyzed by FLAC3Dsoftware.In accordance with Moore－Coulomb criterion of rock mechanics，two failure criterion of shear－ tensile safety were defined by using Fish language embedded in FLAC3D.On the basis of the simulated results，theoretical basis are provided for mining and construction design.

rock deformation;goaf;shear safety;tensile safety

TD325

A

1004－2660(2012)01－0001－05

2011－12－01.

吴国兴(1984－)，男，江西人，硕士，助理工程师.主要研究方向:采矿工程设计.

E－mail:wuguoxing84@126.com