上向分层充填法采矿的数值模拟研究

胡丽珍 李云安 雷 银 王钦刚 王 伟 刘 莎

(中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430070)

上向分层充填法采矿的数值模拟研究

胡丽珍 李云安 雷 银 王钦刚 王 伟 刘 莎

(中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430070)

为了科学地评价矿区在水岩耦合条件下采矿过程中的矿柱稳定性以及地面沉降问题，避免工程经验类比法的不确定性和随意性，在工程地质勘察以及岩体物理力学试验的基础上，运用应力和位移的统一场理论，以司家营铁矿为工程背景，利用矿段的工程地质剖面图，在有限元数值分析软件ANSYS中建立精细的三维数值计算模型，导入FLAC3D数值模拟软件进行矿区在水岩耦合条件下的数值模拟，最后获得地表沉降云图、矿柱的应力云图以及渗流场的矢量分布图。在此基础上对矿山开挖过程中的地面位移、矿柱应力和渗流场的分布特征进行了分析，对上覆岩层及地表变形和矿柱承受的应力状况进行预测。最终成果不仅可以对现阶段矿山的开采过程提供一定的科学依据，同时对矿山的安全生产具有重要的指导意义。

上向分层充填法 数值模拟 矿柱稳定性 地面沉降 水岩耦合

目前，我国金属矿山采用的采矿方法以上向分层尾砂充填连续采矿法为主，它是采取自下而上分层回采，每分层先采出矿石，而后填入充填料，以支撑采空区两帮和作为工作平台。在采用充填连续开采的采矿工艺时，采场矿柱稳定性以及地面沉降一直是国内外矿山工作者研究的重点[1]。在进行大面积地下采矿时，影响这两方面问题的重要因素之一就是水[2]。任何地区的地下岩层中都存在有大量的地下水，这些地下水在其运动的过程中会产生动水压力作用于地下岩土体，从而影响岩土体重地下应力场的分布；同时，由于地下应力场的重新分布又会反过来作用于岩土体，使得岩土体中产生新的裂缝并使原来的已经存在的裂缝产生变形，从而影响地下水在岩土体中的流动，使得渗流场产生变化，这种反复循环的过程就称为水岩耦合[3]。在水岩耦合的作用下,进行地下连续充填法采矿时，会诱发地下岩土体产生不同程度的下陷，此时就会造成地面沉降，过大的地面沉降会使得地面上的各种建筑物产生一定的变形和破坏，同时已有的地下应力场因采矿扰动会形成二次应力场，像上述循环过程第二阶段一样，应力场的改变会导致地下水渗流场的重新分布，从而诱发矿山的地下水灾害[2]。针对这些安全要素的考虑，司家营铁矿南区的开采就需要解决水岩耦合的问题，其上覆第四系含水层水量巨大，而这其中水和岩石的相互作用又势必会影响采场矿柱的稳定性和安全性。为了使矿山的开采过程中保证一定的稳定性，优化采矿，为此，有必要进行专门的流固耦合分析，采用工程地质数值模拟的方法来研究采空区的变形位移，为矿山地下开采施工设计与指导施工提供一定的科学参考。近几年慢慢发展起来的在工程技术领域内常用的FLAC3D程序能模拟岩体从小变形到大变形以及破坏全过程，是一种很有效的数值计算手段[4]。而且本研究中的矿柱稳定性以及地面沉降是一种应力和位移的统一场问题，运用传统的数学理论或程序只可以解决单一的应力或位移，而FLAC3D就可以解决此类统一场问题。因此根据流固耦合作用机制，综合选用ANSYS和FLAC3D2种软件进行河北滦县司家营铁矿南区采场稳定工程地质数值模拟研究。通过模拟对上覆岩层及地表变形进行预测，获得采空区上部的变形位移，为矿山开展下阶段的工作提供参考。

1 矿区工程地质条件

矿区位于滦河侵蚀堆积洪冲积平原区，亚区属于滦河河漫滩阶地，主要分布于现代河床两侧，沿河流走向多成条带状分布，西北高东南低，地势较平坦，其大部分区域被第四系地层所覆盖，地层主要为全新统和中更新统地层，地表岩性为粉砂、粉土和粉质黏土，下部为砾卵石，局部有湖沼相淤泥沉积。据对矿区及周边区域的水位调查，除局部地下水埋深小于3.0 m外，大部分区域地下水埋深均大于6.0 m，含水层岩性为粉细砂和砾卵石。

铁矿体赋存于太古界变质岩，岩性主要为片麻状混合岩和黑云变粒岩，矿体围岩以太古界迁西群白庙子组混合岩、混合花岗岩和变粒岩为主。矿体与围岩产状一致。上覆80～140 m厚第四系松散沉积物，浅部岩层为风化带，其岩石经过风化过程后基本十分破碎，抗拉以及抗压强度均较低；位于风化带以下的深埋矿体，节理、裂隙均不发育，岩石致密坚硬，工程性质较好[5]。整个矿区的地层分布如图1所示。

图1 整体模型Surfer地层分布Fig.1 Surfer stratigraphic distribution of whole model

2 工程地质数值模拟

为了实现水岩耦合条件下矿体开采过程中矿柱稳定性和地面沉降的研究，选择位于司家营铁矿南区大贾庄矿D38线以北、D46线以南矿体来进行流固耦合的数值模拟。

2.1 基本假定

由于开采工作在地下进行，采场附近岩体构造情况复杂，且有多种因素影响其稳定性，在数值模拟过程中，不可能考虑全部的影响因素，因此，在保证结果精确可靠的前提下，忽略次要因素，做出以下假定和概化。

(1)假定模拟区域的岩土体和充填体均为各向同性连续介质，满足摩尔-库仑模型。

(2)数值模拟计算过程中，对模拟范围内的破碎带等，采用降低其相应的强度参数,以弱单元的方式来处理。

(3)模拟过程中，不考虑动荷载以及各种复杂应力的作用，只研究矿区岩土体在重力、地应力以及渗流力作用下的水岩耦合[6]。

2.2 数值模型的建立

基于司家营铁矿南区的开采设计，大贾庄矿段D38线以北、D46线以南矿体采用上向分层充填法。沿矿体走向划分盘区，盘区长度200 m，宽为矿体厚度，高100 m，盘区内沿走向每隔100 m设4 m厚间柱，间柱不回收。在盘区沿走向方向平均划分为4个采场，每个采场长48 m。建立了大贾庄矿段矿体的数值渗流分析三维数值模型。对于整个矿区的开挖范围，在深度方向上，考虑到数值计算模型的边界效应，使用2倍的开挖阶段厚度作为范围，即900 m。在Y轴走向方向上，以1个盘区的长度为范围，即200 m。于是，在此基础上，定义三维数值模型的范围为长×宽×高=1 520 m(X轴，东西方向)×150 m (Y轴，矿体的南北走向)×900 m (Z轴，垂直方向)。

对研究区进行了大量的野外实地地质勘察，了解了该矿区的详细工程地质条件，在此基础上，分析已有的数据资料和现阶段勘察获得的新的地质信息，在ANSYS建立模型的过程中划分了7个工程地质岩土组，通过原位试验以及各种物理力学试验等资料，在获取大贾庄矿段工程地质岩土组物理力学参数的基础上，建立了所要计算的工程地质数值模型。所划分的7个岩土组，在FLAC3D中从1～7依次为矿体完整性较差岩组(Ⅲ-2)，尾砂填充体，矿体围岩完整性较差岩组(Ⅴ-1)，矿体围岩完整性较好岩组(Ⅴ-2)，第四系，强风化层，弱风化层。具体模型见图 2 和图 3 所示。

图2 大贾庄矿段ANSYS数值计算模型Fig.2 ANSYS numerical calculation model of Dajiazhuang mine block

图3 大贾庄矿段FLAC3D三维网格模型Fig.3 FLAC3D 3D grid model figure of Dajiazhuang mine block

2.3 岩土体的物理力学参数

岩体的强度由多种因素决定,包括结构面的连通性以及强度。通常，岩体强度小于岩块强度而大于结构面强度。根据现场勘察报告和场地工程地质类比岩土体参数，在选择时，考虑长期强度和水的侵蚀性，确定各岩土体物理力学参数见表1所示。

3 数值模拟计算结果及分析

3.1 地表沉降分析

由矿体开挖变形图(图4)以及沉降等值线图(图5)可以看出地面沉降以矿体开挖面以上位移最大，为25 cm，且向两侧呈对称分布。同时，由盘区采矿区到地表面，地面沉降均为负沉降，且沉降逐渐增大，矿体开挖顶面最大位移为10 cm，而地表面沉降为25 cm。这是因为第四系的地下水蕴含丰富，渗流固结使地表沉降大于开挖顶面的位移[7-8]。

表1 岩土体的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parametersTable of rock mass

图4 大贾庄矿段开挖面剖面沉降位移云图Fig.4 Subsidence displacement nephogram of excavation surface profile in Dajiazhuang mine

图5 大贾庄矿段矿体地表沉降等值线图Fig.5 Subsidence isoline map of ore body surface in Dajiazhuang mine block

3.2 矿柱应力场分布特征分析

在水岩耦合条件下，从底部采场应力云图(图6)可以看出，随着采矿的进行，间柱上承担大部分的应力，此时间柱Z方向部分地区应力集中，使得应力最大值为10 MPa。

图6 大贾庄矿段矿体底部采场Z方向应力云图Fig.6 The stress nephogram of Z direction at the bottom of the stope in Dajiazhuang mine block

3.3 渗流场分布特征分析

由渗流矢量分布图(图7)可以看出，由于开挖扰动引起了孔隙水在地层内部的渗流流动，虽然强、弱风化层的较好隔水效果阻止了孔隙水向采场方发生渗流，但开挖矿体引起的“三带”产生的裂缝使得有部分地表水会沿着产生的缝隙向下渗透，同时由于开挖引起地下应力场的重新分布，破坏了围岩区已有的应力平衡关系，在已有裂缝的接触上产生新的裂缝，围岩中的地下水会由此流向采空区内部，使其产生大的涌水。

图7 大贾庄矿段渗流矢量分布图Fig.7 Seepage vector map of Dajiazhuang mine block

4 结论与建议

4.1 结 论

(1)针对矿柱稳定性和地面沉降的统一场问题，采用三维工程地质数值模拟的方法来模拟矿区在水岩耦合条件下采矿过程中的应力和位移。

(2)地面沉降以矿体开挖面以上位移最大，且向两侧呈对称分布。同时，由盘区采矿区到地表面，地面沉降均为负沉降，且沉降逐渐增大。

(3)围岩的渗流场随着开采的进行而不断变化。由于开挖扰动引起围岩部分产生裂隙，影响了孔隙水在地层内部的渗流流动，使得采空区围岩中的地下水向采空区产生大的流动。

4.2 建 议

(1)矿山开采顶板稳定性和突水涌水具有不可预测性和毁灭性。在加强安全教育的同时，要完善排水设施和设防能力，同时逢掘必探，有疑必探，以确保矿山安全生产。

(2)建议在矿山开采以及基建过程当中，加强矿坑排水量和水位观测，获取足够的水文观测资料，以便为将来矿区水文地质研究工作提供更多的基础资料。

(3)矿床开采应及时充填，充填应充分接顶，充填对改善围岩及矿柱应力分布应力、减小地面沉降的作用非常有效。但由于局部基岩风化岩岩组深度相对较大，最顶部开采水平宜适当降低；同时由于地下水活动强烈，对围岩稳定性影响大，易产生涌水、坍塌现象，建议进行治水处理。

(4)建议在生产阶段应对围岩的应力、应变及地下水进行监测，查明应力应变的规律，合理布置矿房、点柱尺寸，确保矿山安全生产。

[1] 江兴元,史俊伟,张新国，等.尾砂充填连续开采采场顶板稳定性数值分析[J].金属矿山，2011(11):37-40. Jiang Xingyuan,Shi Junwei,Zhang Xinguo，et al.Numerical analysis on roof stability in continuous milltailings filling stope[J].Metal Mine,2011(11):37-40.

[2] 余伟健，高 谦.大面积充填采矿时的流固耦合数值分析及优化[J].矿业工程研究，2009,24(4):11-17. Yu Weijian,Gaoqian.Large area of filling mining of fluid-solid coupling numerical analysis and optimization[J].Mining Engineering Research，2009,24(4):11-17.

[3] 周冬冬,高 谦,余伟健,等.司家营铁矿阶段充填法开采流固耦合数值模拟[J].矿业研究与开发，2010,30(2):19-22. Zhou Dongdong,Gao Qian,Yu Weijian et al.Numerical simulation of fluid- solid coupling for level longhole stoping with subsequent filling in Sijiaying Iron Mine[J].Mining Research and Development,2010,30(2):19-22.

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[5] 胡 丰，李云安，刘海鳌，等.采矿顶板最小安全厚度及地面沉陷变形研究[J].金属矿山，2013(8):117-123. Hu Feng，Li Yun＇an，Liu Hai＇ao，et al.Study of minimum safe thickness and ground subsidence deformation of the stope roof[J].Metal Mine,2013(8):117-123.

[6] 李海洲，杨天鸿，张 璐.司家营铁矿上向阶段充镇法采场顶板稳定性分析[C]∥2010年中国矿业科技大会文集.马鞍山：金属矿山杂志社,2010:223-228. Li Haizhou,Yang Tianhong,Zhang Lu，et al.Stability analysis of the stope roof with upward sublevel cementing filling method in iron mine[C]∥China Mining Science and Technology Conference 2010.Maanshan:Metal Mine Magazine,2010:223-228.

[7] 廉 海,魏秀泉,甘德清.地下开采引起地表沉陷的数值模拟[J].矿业快报,2006(1):29-32. Lian Hai，Wei Xiuquan，Gan Deqing，et al.Numerical simulation of ground surface subsidence caused by underground mining[J].Express Information of Mining Industry,2006(1):29-32.

[8] 魏秀泉.石人沟铁矿地下开采引起地表沉陷数值模拟[D].唐山：河北理工大学，2005. Wei Xiuquan.Numerical simulation of ground subsidence induced by underground excavation on shirengou mine[D].Tangshan:Hebei Polytechnic University，2005.

(责任编辑 徐志宏)

Numerical Simulation on Upward Sublevel Filling Method

Hu Lizhen Li Yun′an Lei Yin Wang Qingang Wang Wei Liu Sha

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430070，China)

In order to make a scientific evaluation of pillar stability and ground subsidence in the mining area under the condition of water-rock coupling in the process of mining，the uncertainty and randomness of engineering experience analogy method should be avoided.On the basis of engineering geological investigation，as well as physical and mechanical test of rock mass，applying the theory of the unity of the stress and displacement field，with the engineering background of Sijiaying iron ore，the engineering geological profile of ore block is used to establish fine 3D numerical model in the finite element numerical analysis software ANSYS.It imports the FLAC3Dnumerical simulation software for numerical simulation of the mine under the condition of the coupling.Finally the surface subsidence maps，the pillar stress cloud maps and the vector distribution of the seepage field were obtained.On the basis of this，the ground displacement，pillar stress and seepage field distribution characteristics in the process of mining excavation，are analyzed to predict deformation of overburden and surface，and the stress of pillar.Final results can not only provide certain scientific basis for mine mining process at present stage，and also has an important guiding significance for mine safety in production.

Upward horizontal sublevel filling method，Numerical simulation，Pillar stability，land subsidence，Water-rock coupling

2013-11-09

胡丽珍(1991—)，女，硕士研究生。

TD853.34+3

A

1001-1250(2014)-01-005-04