大红山铜矿胶结矿柱稳定性数值模拟研究

阮中华　张希　黄飞

摘要：在大红山铜矿两步骤连续开采过程中，胶结矿柱将代替原生矿柱服务相邻矿房开采。基于二步骤回采过程的安全性以及稳定性要求，需对一步骤胶结矿柱稳定性分析研究。以385中段B12-20线区域为研究对象，通过FLAC3D软件进行数值模拟研究，结果表明：385中段B12-20线开采区域胶结矿柱能够保证其自身稳定性，不会发生失稳破坏，为区段回采提供了安全可靠的作业环境。

Abstract： In the two-step continuous mining process of Dahongshan Copper Mine， cemented pillars will replace primary pillars to serve the mining of adjacent mine houses. In order to ensure the safety of the two-step mining process， it is necessary to study and analyze the stability of cemented pillars. Taking the B12-20 line mining area in the middle section of 385 as the research object， the numerical simulation research is carried out by FLAC3D software. The results show that the cemented pillar in the B12-20 line mining area in the middle section of 385 can ensure its own stability without instability and damage， thus providing a safe and reliable working environment for mining in the section.

关键词：空场嗣后充填采矿法;胶结矿柱;稳定性分析;数值模拟

Key words： open field subsequent filling method;cemented pillar;stability analysis;numerical simulation

中图分类号：TD323                                       文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0206-05

0  引言

众所周知，我国有色金属矿产资源具有贫矿多富矿少的分布特点，尤其是铁、铜、铝土、铅、锌、金等多为贫矿。以铜矿为例，我国品位大于1%的铜矿石占比不到30%，品位大于2%的仅约占6%。因此，开采低品位矿石将是我国矿业长期面临的客观现实。大红山铜矿作为云南铜业的主力矿山之一，是一个典型低品位铜矿。针对低品位矿体开采，为了提高矿石的开采效率，同时提高矿石回收率，大红山铜矿采用两步骤连续回采的大盘区空场嗣后充填法。在该法中，通过对一步骤回采矿房进行胶结充填形成人工矿柱，以人工矿柱代替原生矿柱为二步骤回采提供支撑作用。为了保证二步骤回采过程的安全性，有必要对胶结充填矿柱稳定性进行研究[1-4]。

数值模拟方法通过模拟计算得出岩体在一定力学规则下的应力或位移分布规律，从而实现对复杂岩体力学问题的分析研究。在众多模拟软件中，FLAC3D数值模拟软件采用有限差分方法能够非常准确模拟岩体的应力、位移变化以及塑性破坏情况，且计算结果容易收敛，是目前采矿及岩土工程领域常用的分析软件。赵兴东[5]利用FLAC3D对谦比希矿隔离矿柱的稳定性问题进行模拟分析，结果表明预设21米隔离矿柱能够满足采场安全生产要求，具有足够的稳定性。尚振华[6]等利用FLAC3D对大规模采空区进行模拟分析，得到了采空区岩石的破坏服从Weibull分布和longarm分布规律，对采空区稳定性问题进行了量化。王俊[7]等针对大红山铜矿高矿柱强度设计问题，利用FLAC3D模拟得出了胶结充填体的强度参数。李夕兵[8]等利用FLAC3D对隔离矿柱理论计算结果进行了验证，结果显示隔离矿柱破坏在容许范围内，证明了理论计算的合理性。

1  工程概况

大红山铜矿385中段B12-20线开采区域地处大红山群曼岗河组第三岩性段中部，矿岩属性主要为含铜石榴黑云角闪片岩以及含铜磁铁变钠质凝灰岩。矿体的展布情况为东高西低，产出均匀。开采区域包含I2、I3两部分矿体，二者相互平行，总体走向为东西向，倾向为南西向，倾角为18°-25°。主要矿物包括黄铜矿及磁铁矿，黄铜矿分布不均匀，呈细脉状、 侵染状、团块状以及散点状，磁铁矿呈带状分布。开采区域内存在FI-24-1断层，产状为走向N75°-W85°，倾向SW，倾角65°-75°。

根据矿体分布特点以及大红山铜矿现有开采技术条件，采用下向大直径深孔侧向崩矿的大盘区空场嗣后充填连续采矿法。将盘区划分为一步矿房和二步矿房，先采一步矿房、嗣后尾砂-块石胶结充填，再采二步矿房、嗣后尾砂充填。如图1所示，将大红山铜矿385中段B12-20线开采区域划分为13个矿房，其中包括7个一步胶结充填矿房和6个二步非胶结尾砂充填矿房，各矿房按图1中编号顺序开采。各矿房结构尺寸如表1所示。

2  模型建立及参数取值

2.1 基本假定

地下矿山地质结构条件非常复杂，影响采场稳定性的因素也很多。在保证计算结果准确的前提下，为了突出所研究的问题，减少由于各种次要因素对数值计算结果的影响，因此在建立模型过程中做一些假设与简化：

①假设矿体和充填体都为各向同性的连续介质。

②由于充填体的沉降性，因而充填体最终一般很难接顶，在计算中忽略此项因素。

③在计算中仅考虑地应力及重力的作用，忽略地震波、地下水及爆炸冲击波对围岩稳定性的影响。

2.2 几何模型的建立

根据矿山实际，按图1所示盘区规划情况，结合盘区实际尺寸建立大红山铜矿385中段B12-20线开采区域模型。考虑模型范围大小及单元网格划分对模拟结果的影响，取盘区模型长度的3倍范围为两边围岩尺寸，地表即为模型的顶部，取盘区高度的1倍为盘区模型下部尺寸。几何模型内部按矿房名称分组，模型的单元数（zone）为1621263个，节点数为（gridpoints）2246505个。三维模型如图2、图3所示。

2.3 本构模型与力学参数

本文将盘区内各种力学性质岩体视为各向同性弹塑性连续介质，并在数值模拟计算过程中，选择莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）塑性本构模型进行模拟分析，本构模型如下所示：

式中1，2，t分别为最大主应力、最小主应力和抗拉强度c，？准分别为粘结力和内摩擦角，当fs>0时，材料将发生剪切破坏;ft<0时，材料将发生拉伸破坏。

综合考虑矿山多年的工作经验和研究成果，所取岩石力学特性参数如表2所示。

2.4 初始应力及边界条件

根据大红山铜矿最大水平主应力、最小水平主应力以及垂直主应力的高度变化规律（如式（3）、式（4）、式（5）所示），取得計算模型hmax=29.23MPa，hmin=26.8MPa，v=24.36MPa。

式中，hmax、hmin、v分别为最大水平主应力、最小水平主应力以及垂直主应力，？酌为上覆岩石容重（MN/m3），h为测点埋深（m）。

按照上述参数对计算模型进行初始赋值，并设置模型屈服条件服从莫尔-库仑（model mohr）准则，模型四周以及底部设置固定位移边界（Fix），模型顶部为自由边界条件。

3  数值模拟结果及分析

由于篇幅原因，未将12-20线开采区域所有的矿房、矿柱数值模拟结果一一呈现，选取B16-18胶结矿房的开挖充填数值模拟结果作为典型进行稳定性分析。

经过初始地应力计算之后，对B16-18胶结矿柱进行开挖，由于B16-18胶结矿柱是作为人工矿柱服务于B15-17-1矿房以及B15-17-2矿房回采，在B15-17-1矿房以及B15-17-2矿房回采过程中，B16-18胶结矿柱将先后暴露两次，因此针对B16-18胶结充填体的稳定性研究而言，可将B16-18胶结矿柱暴露状态分为一侧临空状态和一侧临空另一侧受尾砂侧压力状态，通过分析B16-18胶结矿柱在不同状态下的应力分布及塑性区分布情况可判断胶结充填体在该状态下的稳定性。

3.1 一侧临空状态

在对B15-17-1矿房进行回采过程中，B16-18胶结矿柱暴露，受力状态转变为一侧临空的受力状态，如图4所示。此时，该胶结矿柱的应力分布规律可如图5所示。图中“-”表示压应力，“+”表示拉应力，与岩石力学中的规定相反。

如图5所示，胶结充填体最大主应力为压应力，最小主应力为拉应力，在底部和临空侧出现应力集中情况。根据胶结充填体中部应力监测结果（？滓1=-0.15MPa，？滓3=0.035MPa），可绘制莫尔圆与应力曲线关系图，如图6所示。

分析图6可知，B16-18胶结矿柱胶结充填体在一侧临空条件下，根据应力监测结果绘制莫尔圆在应力曲线之下，即该胶结充填体不会发生破坏，能够保持稳定，图7的塑性区分布情况也证实了该分析结果。

由图7可知，该胶结矿柱几乎没有出现塑性区，整体性较好。由此可知，在一侧临空条件下，该胶结充填体结构稳定，不会发生失稳破坏。

3.2 一侧临空另一侧受尾砂侧压力状态

回采B15-17-2矿房，B16-18胶结矿柱形成一侧临空，另一侧受B15-17-1矿房水砂充填侧压力作用的情况，如图8所示。此时B16-18胶结矿柱的应力分布规律可如图9所示。

分析可知，胶结充填体最大主应力为压应力，在临空侧出现应力集中情况最小主应力在顶部和底部为拉应力，其余部分为压应力。根据胶结充填体中部应力监测结果（？滓1=-0.48MPa，？滓2=0.056MPa），可绘制莫尔圆与应力曲线关系图，如图10所示。

由图10可知，在一侧临空，一侧水砂充填情况下，应力监测结果绘制莫尔圆仍然在应力曲线之下，即该胶结充填体不会发生破坏，塑性区分布情况如图11。

如图11所示，该胶结矿柱塑性区主要分布于顶部及表面，体内塑性区并未贯穿，整体性较好。由此可知，在一侧临空另一侧受尾砂侧压力条件下，胶结充填体仅表面会出现塑性区，在容许范围之内，不会发生失稳破坏。

4  结论

为了保证二步骤回采过程的安全性，本文利用FLAC3D数值模拟软件对对胶结充填矿柱稳定性进行研究。可得出以下结论：

①根据应力监测结果，通过应力莫尔圆与强度曲线空间关系分析可知，大红山铜矿385中段12-20线回采区域胶结矿柱在相邻两侧矿房开挖、多次暴露情况下，莫尔圆在其应力曲线之下，胶结矿柱能够保持稳定，不会发生破坏。

②塑性区分布情况表明，大红山铜矿385中段12-20线回采区域胶结矿柱在服务二步骤回采过程中，仅在表面出现一定的剪切破坏和拉伸破坏，塑性区并未贯穿，均能保持其自身稳定，所构成的支撑框架为区段回采提供了安全可靠的作业环境。

参考文献：

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[8]李夕兵，彭定潇，冯帆，等.基于中厚板理论的深部崩落转充填隔离矿柱稳定性分析[J].中国矿业大学学报，2019（3）：484-494.