岩溶大水矿体间柱回采数值模拟研究

王 磊 生兆峰 郭 伟

(1.淮北徐楼矿业有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

·采矿工程·

岩溶大水矿体间柱回采数值模拟研究

王 磊1生兆峰1郭 伟2，3，4

(1.淮北徐楼矿业有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

岩溶大水矿体开采难度较常规矿体大，特别是二步骤矿柱回采，在第四系岩溶大水的条件下，常规的矿柱回采技术已难以满足安全需求，采用计算机数值模拟能较好的解决这一缺陷。以徐楼铁矿为例，在该矿开采技术及矿岩取样的基础上，利用FLAC3D数值模拟手段，以间柱矿体中预留点柱的数量及位置来划分回采方案，研究了矿柱内部应力及位移变化规律，对间柱回采进行了稳定性分析。通过分析对比得出最优方案，并在富水下回采时对顶板隅角及中央处进行了防水作业，保证了回采工作的安全。

第四系 岩溶矿体 FLAC3D数值模拟 间柱回采

随着我国矿产资源需求的日益增大，地下矿产资源急剧衰减，尤其是那些开采条件相对较好的矿床，人们不得不将目光集中在难采的矿床上。在我国山东、河北等地出现了一批岩溶大水矿山，如长江北岸的和成铁矿、河北闫庄铁矿等。这些矿山地处平原，第四系层厚及含水量大，回采难度较大，尤其是二步骤矿柱的回采，既要尽可能的回收矿产资源，又要防止矿柱回采时扰动顶板防水层，带来安全隐患。对于这类矿产资源的开采，需要通过科学的方法进行分析论证。本文以徐楼铁矿二步骤矿柱回采为例，对其开采进行了模拟研究,为此类型矿体的回采提供经验。

1 开采技术条件

徐楼铁矿位于淮北市濉溪县境内，距淮北市15 km。矿区为冲积平原，地势平坦，地表海拔高度30 m 左右。徐楼矿区石楼矿床一矿带为该矿重点矿床，位于闪长岩与大理岩连接带及附近的大理岩内。矿体受构造控制明显，沿闪长岩上下两侧矿体呈水平状，在闪长岩顶部介面隆起时，矿体呈半月形凸镜体。矿体埋深从60 m到160 m不等。上覆有第四系岩层，顶底板主要为大理岩和闪长岩，厚度较薄。矿体埋藏于侵蚀基准面及地下水位之下，矿床以充水岩层、孔隙岩层为主。

矿区内皆为第四系松散沉积物所覆盖，砂层累计厚度约40 m。第四系沉积物中粉砂、细、中砂为主要含水层，单位涌水量为0.23～0.60 L/(s·m)，渗透系数为0.76～4.10 m/d。矿体顶底板基本为大理岩，为岩溶裂隙含水层。该含水层埋藏于地表下42～120 m，厚度为40～80 m，似层状，裂隙、溶洞均较发育，含水丰富，为承压岩溶裂隙水。其富水性内部差异较大，单位涌水量大于10 L/(s·m)，渗透系数为17.8 m/d。

为防止第四系含水层导通采场，在图1所示岩土风化线约-45 m水平以上预留约10余m厚的防水顶柱，大部分矿体位于-80 m水平以上，采用分段空场嗣后充填回采。采区沿走向布置，宽约50 m，长为矿体垂直走向长度，高为矿体厚度。采区划分为约38 m宽的采区矿房和约12 m宽的采区间柱(见图2)。目前，一步骤采区矿房已经回采并胶结充填完毕，由于充填空区面积较多，二步骤间柱回采研究正在展开。

图1 石楼矿床一矿带矿岩纵投影

图2 采场平面布置

2 模型构建

2.1 本构模型及破坏准则[1]

采用FLAC3D软件计算，显式差分法求解，相对于有限元法，能更好的模拟材料的塑性破坏和塑性流动，更为准确恰当地适应分步开挖回采数值模拟的要求，并可自动处理计算结果，提供彩色图形显示的等值线的应力场和位移场。

选用摩尔-库伦岩土通用模型(Mohr-Coulomb)，该模型采用复合破坏准则。图3即为FLAC3D摩尔-库伦破坏准则表现形式。

抗拉强度：

σmax=c/tanφ ,

(1)

抗剪强度：

|τ|=c+σntanφ ,

(2)

图3 FLAC3D破坏准则

2.2 初始力学参数及地应力场[2]

实验室力学试验参数应用于岩体工程时需进行强度折减。采用常用M.Georgi法处理相关参数，折减后力学参数见表1。

表1 折减后矿岩力学参数

地应力是存在于地层中的天然应力，是引起采矿工程变形和破坏的根本作用力。采场围岩的失稳主要由于开挖过程中引起的岩体应力重新分布，超过围岩强度，引起围岩过分变形而造成的，而开挖施工过程中应力重分布是否会达到危险程度要看初始地应力场的具体情况而定，初始地应力是影响采场围岩稳定性的最主要的基本因素之一。由于矿区未进行过初始地应力场测定，且属于浅部回采，本研究中初始地应力场按自重应力场考虑。

3 研究方案

根据相关矿体资料，建立矿体三维实体模型如图4所示。模型X方向为沿矿体倾向方向，Z方向为矿体走向，Y方向为铅直方向。模型Y方向底部由-100 m平面下推200 m，X、Z方向由矿柱最近端分别外推约200 m。计算范围为空区跨度的3～5倍，对于已有巷道模型中不予体现[3]。模型实际尺寸为(长×宽×高)620 m×460 m×300 m，固定以上五个边界的位移和速度。将岩体视为似均质和各向同性介质，采空区开挖形成是一次性的，不考虑时间效应，采用平面切面的方式描述所研究岩体内部的应力、位移状态及塑性破坏区大小。

图4 矿体模型

间柱宽约12 m，长为矿体厚度，为100～130 m，呈长条状。由于间柱长度较长，采取预留部分点柱来减少采场跨度进行回采。根据预留点柱的数量，分为双点柱方案与单点柱方案(见图5)进行研究，经过前期数值模拟工作，双点柱方案中，点柱长度取12，15，18 m进行分析对比，单点柱方案中，矿柱长度取30，35 m进行分析对比，各方案点柱宽度与原间柱一致，均为12 m。

图5 间柱实体

4 结果分析

一般来说，岩体的抗拉强度远远低于抗压强度，通常空区围岩的最大破坏隐患来自于受拉破坏[4]。对于上部富含水层的徐楼矿顶板，拉应力会使岩体产生微裂隙或使原有裂隙扩大导通含水层，应重点考察顶板拉应力区的分布。

图6为双点柱方案拉应力分布云图。从图中可知，12，15，18 m 3个方案应力分布规律基本相同，仅是应力集中区分布范围大小有所区别。从模拟结果来看，矿柱区域压应力普遍在10～12 MPa。3个方案中均出现了一定范围的拉应力区，其中18 m时拉应力极值最小，约1.16 MPa；15 m时，最大拉应力约1.43 MPa，相对于18 m，增长幅度达到了23.3%；12 m时，最大拉应力约1.62 MPa，相对于15 m，拉应力增长幅度达到了13.3%。即随着暴露面积的加大，拉应力逐渐增大，开始布满空区顶板。各方案中剪应力的变化规律基本与拉应力相同。12 m 时，剪应力最大为2.31 MPa，可以认为剪应力对矿柱的威胁较小。各方案应力分布及位移数值见表2。

图6 双点柱拉应力云图

表2 各方案最大应力值及位移

注①表格中所统计的数值均为极值；②压应力及剪应力数值偏小，拉应力值更接近极限值，根据拉应力来计算安全系数。

图7为单点柱30，35 m方案拉应力云图。35 m时，最大拉应力约0.97 MPa；30 m时，最大拉应力约1.58 MPa，相对于前者增加了62.9%。从其他数据来看，矿柱预留宽度加宽5 m后能明显的改善顶板的受力状况，35 m各项数值仅为30 m的50%，35 m的安全系数要明显高于30 m。

图7 单点柱拉应力云图

5 结 论

(1)间柱回采前受力状况较好，可以考虑对其进行部分回收。预留点柱能很好的转移并承担应力，随着开采跨度的增大，应力转移的幅度也逐步加大；在各应力中，拉应力对顶板的威胁要高于其他应力。

(2)空区顶板拉应力集中区大多分布于矿体顶板的隅角及中央处，为减少拉应力对顶板岩体带来的张性破坏，防止岩体裂隙的进一步发育，在矿体开采之前，在顶板的隅角及中央处要重点进行注浆防水作业，保障回采的安全进行。

(3)预留点柱尺寸越大，顶板安全系数提高越快，即原点柱尺寸越大，提高点柱尺寸带来的效果越明显。

(4)本次安全回采，关键在于防止受拉应力影响顶板裂隙扩展以导通含水层。经比较，在预留点柱总宽度一样的情况下，预留两个(多个)小尺寸的点柱要比预留一个大尺寸的点柱更有利于空区顶板的稳定，但小点柱自身的受力状况要差于大点柱。采用双点柱方案不仅能减少拉应力区的分布，也能提高回采率。

[1] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2] 郭 伟,张传信,赵继银.大盘区高应力下矿柱回采稳定性数值模拟[J].金属矿山,2013,443(5):27-30.

[3] 郑守宝.矿柱回采中三维数值模拟的运用[J].中国矿山工程,2012,41(2): 12-15.

[4] 马雄忠,王文杰.佛子矿间柱回收与空区稳定性数值模拟[J].金属矿山,2014,452(2):22-25.

Numerical Simulation Research on Karst Water Orebody Barrier Pillar Stoping

Wang Lei1Sheng Zhaofeng1Guo Wei2,3,4

(1.Huaibei Xulou Mining Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The mining difficulty of karst water orebody is harder than conventional orebody, especially for the second step pillar stoping, under the condition of karst water in quaternary system, the conventional pillar stoping method can not meet the safety requirements, the defect can be better solved based on the computer numerical simulation method. Taking the Xulou iron mine as the research example, based on mastering the mining technology conditions and ore-bearing rock samples of the mine, the stoping scheme can be divided by the number and location of the reserved point pillars in the orebody pillars by using the FLAC3Dnumerical simulation method to analyze the stress and deformation change regularity inside the pillar and conduct stability analysis of the pillar stoping. The optimal scheme is obtained by analysis and comparison, besides that,the stoping under the rich aquifer should give priority to the waterproof operation of the roof angle and central place to ensure stoping safety.

Quaternary system, Karst orebody, FLAC3D, Numerical simulation, Pillar stoping

2015-06-10)

王 磊(1982—)，男，总工程师，235000 安徽省淮北市濉溪县。