大尺寸采场充填体稳定性数值分析

张耀斌　杨　春

(1.西北有色地质勘查局七一七总队；2.湖南省深部金属矿开发与灾害控制重点实验室)



大尺寸采场充填体稳定性数值分析

张耀斌1杨春2

(1.西北有色地质勘查局七一七总队；2.湖南省深部金属矿开发与灾害控制重点实验室)

摘要运用数值模拟软件对某大型地下金属矿山回采设计方案进行模拟，从最大主应力、最小主应力、塑性区、垂直位移4个方面,分析了处于最大暴露面积下的充填体稳定性。结果表明：采用50 m高度回采时，充填体可能出现片帮；充填体与顶板相接位置形成了5 m左右的贯通塑性变形层，充填矿柱丧失了支撑能力，该回采方案存在较大安全隐患，需进行调整。

关键词充填体矿柱顶板稳定性

为扩大产能，实现采场高效开采，国内某地下金属矿山委托相关科研单位进行了采场结构参数优化、充填工艺等课题研究，提出了矿块间隔布置的高效空场嗣后充填采矿法。由于回采过程中充填体最大暴露高度达50 m，有必要对其安全性进行评价，以便实现矿体的安全高效开采[1-3]。

目前数值模拟分析软件在岩土工程领域应用广泛，众多学者利用数值模拟软件进行采场稳定性分析。白银[4]采用理论和数值模拟相结合的方法，进行采矿方法安全性的数值模拟分析和采场结构参数的确定，最终选择技术可行、经济合理的采矿方法；王新民[5]对9种典型采场结构模型的模拟结果进行了比较分析,确定了采场最优结构参数,并对当前采矿方案提出修正和调整建议，以便高效生产。本文通过数值模拟软件对矿体回采及充填过程进行模拟，从最大主应力、最小主应力、塑性区、垂直位移4个方面对采场稳定性进行分析，研究矿块间隔布置的高效空场嗣后充填采矿法在矿山的适用性。

1数值模拟的相关理论

在采矿、水工、地下工程中，常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析法、离散元法和无界元法等。有限差分程序是一个专门模拟地下岩体开挖工程应力及变形的三维分析软件，对于模拟地下矿山开采、支护、隧道开挖，尤其是多步骤开挖有着很好的适用性。通过数值计算结果，可以得出不同开采步骤下的力学、位移变化特性，对采矿工程的稳定性分析以及采场优化研究有重要作用。

有限元分析软件在模型构建及网格划分方面较为方便，因此本次数值模拟在有限元分析软件中建立计算模型并划分网格，编组后导入有限差分软件赋予材料参数进行计算，节省了有限差分软件中的建模成本。

2数值模型构建

2.1基本假定

为便于计算，对采场结构特别是对回采支撑的充填体框架在模型中需作进一步处理，对矿体介质性质及计算模型作必要的假设：①将矿体视为理想的弹塑性材料，选用摩尔-库仑模型，进行非线性分析；②忽略断层、节理裂隙等不连续面对采场稳定性的影响；③忽略地震波、爆炸冲击波、地下水等因素对采场稳定性的影响；④忽略地表起伏，根据圣维南原理，开挖影响范围之外的力学作用转化为相应荷载或约束。

2.2数值模型构建

该矿山一期开采矿体规模最大，形态及产状较稳定，平均水平厚度207 m(包括夹石)，倾角40°～50°，属极厚大倾斜矿体。主要采矿方法为空场嗣后充填采矿法，在初步设计报告中推荐使用矿块留间柱布置回采方案：盘区沿矿体走向布置，长度120 m，宽为矿体厚，高100 m(阶段高度)，盘区间柱15 m。在盘区范围内沿矿体走向和垂直方向划分回采矿块，矿块长轴方向与矿体走向一致。一步开采采用胶结充填，二步以尾砂充填为主。一步矿块连续布置，分步回采，矿块长60 m，宽20 m，高100 m。二步矿块亦连续布置，矿块中间用间柱分割，矿块长56 m，宽20 m，高100 m，间柱长20 m，宽8 m。一步采和二步采矿块间隔排列如图1所示。

图1　矿块布置

为了节省计算成本，选取采场5个矿块作为研究对象。根据圣维南原理，开挖扰动影响范围约为开挖尺寸的3～5倍，为简化模型，不考虑间柱，以节省计算成本，垂直走向取5个矿块，单个矿块长60 m，宽20 m，高100 m，完整模型尺寸700 m×420 m×700 m，坐标原点位于模型几何中心，矿块模型如图2所示。

图2　矿块有限元模型

一步骤1#、3#、5#矿块按10 m分层高度依次上向回采，每一分层回采完成后采用胶结充填。待1#、3#、5#矿块采完最后一个分层并充填接顶后，2#、4#矿块按50 m分层高度分两次回采，回采后形成的采空区采用尾砂非胶结充填。2#、4#矿体回采过程中1#、3#、5#胶结充填体最大暴露高度为50 m，此时胶结充填体处于最危险时刻，矿块分层开挖模型如图3所示。

图3　矿块有限元模型

2.3矿岩物理力学参数

2.3.1矿石力学参数

矿石力学参数通过室内试验获得，如表1所示。

表1　矿石物理力学参数

2.3.2非胶结充填材料力学参数

非胶结充填体材料采用尾砂，根据相关试验参数进行类比[6]，参数见表2。

表2　非胶结充填材料力学参数

2.3.3胶结充填材料力学参数

根据科研单位试验，研发了高强度胶结充填材料，试验数据如表3所示。视充填体为均一材料，将试验参数取均值作为计算参数。

2.4本构模型

构造模拟围岩的数值模型需定义岩体性质的数学模型，即本构模型。由于计算研究范围涉及的岩体(灰岩、砂岩)、矿体、废石胶结充填体均属弹塑性材料，适应于莫尔-库仑破坏准则，其力学模型为：

表3　全尾砂试验参数

(1)

式中，σ1、σ3分别为最大和最小主应力；c、φ分别为材料粘聚力和内摩擦角；fs为破坏判断系数，当fs≥0时，材料处于塑性流动状态,当fs≤0时，材料处于弹性变形阶段。

3采场稳定性分析

3.1一步胶结充填完成

矿块分层回采后顶板失去支撑，产生较大垂直位移，拉应力也集中在顶板中央，压应力则集中在空区侧帮。矿体为弹塑性材料，当变形超过一定范围即形成塑性区，每一分层开采过程中均有塑性区产生。在1#、3#、5#矿块逐层胶结充填接顶后，充填体对采空区顶板侧帮具有一定的支撑作用，顶板与侧帮应力极值减小。因采空区塑性变形不可逆，故充填接顶后顶底板及侧帮位置的竖直位移、塑性区范围较未充填时无明显变化。

如图4所示，1#、3#、5#矿块10个分层胶结充填完毕，采场无暴露空间，20 m×60 m×100 m胶结充填体与2#、4#待采矿柱支撑顶板。最大拉应力0.46 MPa，最大压应力24.5 MPa，相比采场顶板有暴露空间时的应力场，充填体承担了较大应力；10个分层充填单元周围垂直位移12～20 cm，采场塑性变形主要集中在充填体与矿体接触面附近。从第一分层的开挖与充填到第十分层开挖充填完成，采场的应力场趋于较为安全状态，各项指标均未超过矿体强度极限。

图4　一步充填(剖面位置Y=0)

3.211分层回采

此步骤回采是整个研究过程的关键，2#、4#矿块11分层开挖后充填体有了暴露空间，特别是中央3#充填体下部双侧暴露。根据模拟结果，11分层回采后3#充填体上部主要表现为拉伸应力，应力值为0～1 MPa，下部为压缩状态，压应力值为0～2.5 MPa；12分层侧帮与充填体相接触，与完整岩石相比此接触面上粘结力较小，因此顶板产生较大垂直位移，约25 cm；充填体塑性区主要产生在两帮及顶板附近，从应力角度，充填体中有大部分区域应力值已经超过了其强度极限。见图5。

图5　11分层开挖(剖面位置Y=0)

3.312分层回采

12分层开挖后3#充填体再次形成50 m的暴露高度，后续作业均在暴露顶板下进行，有必要对顶板及充填体矿柱进行稳定性分析。如图6所示，顶板与3#充填体接触面附近产生了较大垂直位移，约26 cm，并且顶板全部产生塑性变形，与3#充填体接触面上主要表现为拉伸塑性变形,说明充填体承受了较大竖向压力；充填体内最大拉应力为1.63 MPa，已经超过其极限强度，同时3#充填体侧帮塑性区已经上下贯通。从侧面截图也可以看出，在12分层回采后塑性区变化较为明显，与顶板接触的地方形成了高度约5 m且内部贯通的塑性变形层。

图6　12分层回采顶板

4结论

通过对模型进行多方位剖视，从最大主应力、最小主应力、垂直位移、塑性区4个方面对采场稳定性进行综合分析。结果表明：11分层开挖时，3#充填矿柱大部分区域应力已经超过其强度极限，12分层开挖后充填体外围形成了贯通的塑性区，暴露面可能产生大范围冒落，从而削弱其支撑能力。故此方案存在极大的安全隐患，需进行调整，如选用高强度的充填材料或降低阶段高度等。

参考文献

[1]郭爱国,张华兴.我国充填采矿现状及发展[J].矿山测量,2005(1):60-61.

[2]周旭.我国充填采矿技术应用及存在问题探讨[J].世界有色金属,2014(3):28-30.

[3]张海波,宋卫东,许英霞.充填采矿技术应用发展及存在问题研究[J].黄金,2013,31(1):23-25.

[4]白银，王星.缓倾斜中厚矿体回采数值模拟分析[J].现代矿业，2015(8)：33-35.

[5]王新民,王长军,张钦礼,等.基于ANSYS程序下的采场稳定性分析[J].金属矿山,2008(8)：17-25.

[6]曾照凯,张义平,王永明.高阶段采场充填体强度及稳定性研究[J].金属矿山,2010(1):31-34.

(收稿日期2015-10-20)

Numerical Simulation Analysis of Filling Body Stability of Large Scale Stope

Zhang Yaobin1Yang Chun2

(1. 717 Team,Northwest Nonferrous Geological Exploration Bureau; 2. Hunan Key Laboratory of Mineral Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines)

AbstractThe stoping scheme of a large underground metal mine is simulated by numerical simulation software, the filling body stability under maximum exposure area is analyzed from four aspects of the maximum principal stress, the minimum principal stress, the plastic zone and the vertical displacement. The simulation results show that the filling body might appear wall falling phenomenon with 50 m mining height;The 5 m plastic deformation layer is occurred in the following location of filling body and roof,the supporting capacity of filling pillars is lost.Therefore,big security hidden dangers of the stoping scheme is existed,it is necessary to improved it.

KeywordsFilling body, Mine pillar, Roof, Stability

张耀斌(1973—)，男，工程师，721004 陕西省宝鸡市金台区。