基于FLAC3D的某铁矿采场结构参数优选

田 敏 胡 崴

(1.安徽大昌矿业有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

采场顶板是矿山主要的危险源之一，而采场顶板的稳定性是一个复杂的系统工程，受多种因素共同影响[1-2]。某铁矿地处平原地区，地形较为平坦，平均海拔高度为100 m。矿区岩石的节理裂隙均不甚发育，为致密块状，其间的节理裂隙多被石膏和方解石细脉充填，一般脉宽2～4 mm，与岩层斜交，局部为网状穿插，矿石裂隙率较低，为中等-很坚固的岩石。矿体围岩主要为磁铁角闪岩和磁铁云母片岩等，矿体中夹石岩性与围岩一致。矿体缓倾斜,采用上向分层充填采矿法回采,随着开采深度不断增大,采场顶板稳定性问题逐渐显现,给顶板暴露面下作业人员及设备的安全造成极大的威胁。

本文通过数值模拟手段，分析研究该铁矿开采过程中采场顶板的稳定性，从而确定采场最优结构参数，为矿山设计及生产提供技术支撑。

1 模型建立

本次模拟-400 m水平矿体，所建模型标高范围为-400～-300 m，为模拟上覆岩层的自重应力对计算模型的作用，在模型顶部施加均布荷载[3]。模型长360 m，宽300 m。见图1。

图1 数值计算模型

2 矿岩体力学参数

根据矿山的工程地质特征、岩石的物理力学参数以及此次计算的要求，经归类及工程处理后，考虑了上盘、下盘和矿体3种力学介质，分别为均质混合岩、角闪片麻岩及磁铁矿石，矿岩体力学参数见表1。

田 敏(1984—)，男，助理工程师，237400 安徽省霍邱县经济开发区。

表1 矿岩体力学参数

3 数值模拟计算方案

根据矿山的工程地质条件、矿体赋存条件，模拟开采过程中顶板围岩、矿柱的稳定性及采场充填后围岩应力变化。针对相向进路上向分层全尾砂胶结充填法，模拟不同的采场结构参数组合方案，确定最佳的进路宽度及分层高度。采场结构参数见表2。

表2 采场结构参数 m

4 模拟计算结果及分析

4.1 应力变化情况

通过模拟分析得出不同进路宽度和分层高度下开采与充填过程的应力和位移云图。限于篇幅，本文仅以采场进路长度为50 m，采场进路宽度为5 m，采场进路分段高度为上分层高度3.5 m，下分层高度4.5 m为例，说明开采和充填过程中的应力变化情况。其中，一步骤上分层和下分层开采后的应力等值线云图见图2。可以看出，受拉区域主要位于采场顶底板，最大拉应力约0.75 MPa，矿柱中产生压应力集中。下分层矿体开挖后，采场两帮出现小范围拉伸区域，最大拉应力区域仍位于顶部和底部，顶底板最大拉应力有所增大，约1.02 MPa。

图2 一步骤开挖最大主应力等值线云图

一步骤开挖完毕即进行充填，充填完成后的最大主应力等值线云图见图3。可知，采场顶底板、两帮及充填体处于受拉状态，与一步骤上下分层开挖时相比，最大拉应力有所减小。可见充填可改善顶底板的受拉情况，减小冒顶及底鼓的产生。

充填完毕进行二步骤矿体开挖,二步骤开采时最大主应力等值线云图见图4。可知，在采场顶板上部及下部产生整片连续的拉伸区域，且顶板最大拉应力值较一步骤开挖时有所增大，因此，在二步骤开采过程应加强对拉应力集中区顶板的支护。

图3 一步骤充填最大主应力等值线云图

图4 二步骤开挖最大主应力等值线云图

4.2 采场结构优化

不同参数组合下顶板最大拉应力值的变化情况见图5。可以看出，不同的参数组合模型顶板最大拉应力值均随着一步骤开采与充填逐步降低，但当二步骤开采时，顶板最大拉应力值显著提高，最大值为1.3MPa左右，后随着开采与充填逐步降低。这表明，二步骤开采较一步骤开采更易产生拉伸破坏而导致顶板垮落，充填可有效降低拉应力集中，从而保护顶板。采场宽度一定时，下分层高度越大，顶板拉应力值越小，因此，下分层高度选用4.5m。当分层高度一定时，采场宽度越大，顶板拉应力值越大，而在确保顶板受拉应力较小，不产生拉伸破坏的前提下，应避免回采过程中顶板拉应力值发生较大幅度变化。当采场宽度为4m，下分层高度为4.5m时，一步骤上分层与下分层开挖过程中，产生了较大的应力突变，采场宽度为5m和6m

时，一步骤开挖过程中，应力变化相对较小，考虑采场宽度为5 m时产生的拉应力值更小，因此，选取进路宽度为5 m。

图5 顶板最大拉应力变化值

5 结 论

矿山采用相向进路上向分层全尾砂胶结充填法开采，通过对开采过程模拟分析可知，一步骤开采过程中顶板所产生的拉应力较小，顶板稳定性情况较好，充填可改善采场顶板的受力状况，减少冒顶及底鼓的产生。二步骤回采时，顶板最大拉应力较一步骤回采时有所增大，且接近岩体抗拉强度，顶板稳定性情况较差，应加强对采场顶板的监测与支护工作。通过对6种不同采场结构参数模拟分析，确定矿山采场进路宽度为5 m，上分层高度为3.5 m,下分层高度为4.5 m为最优结构参数。

[1] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：水利水电出版社，2009.

[2] 孙书伟，林 杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京：水利水电出版社，2011.

[3] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.