某铁矿地下开采围岩稳定性FLAC3D数值模拟分析研究

2021-01-04李轶

昆明冶金高等专科学校学报 2020年5期

李轶

(贵州安科劳动保护技术有限责任公司，贵州贵阳 550000)

0 引言

某矿山铁矿为磁性矿体，产于红山组上部角闪变钠质熔岩底部。矿体主要赋存在-135～355 m标高范围之内，矿体埋深约为400～800 m；矿体厚度16～100 m，平均 31.2 m。矿体呈似层—透镜状产出，具有中心部位厚度大、向四周变薄以至尖灭的特征。矿体产状跟地层产状大致一致，矿体走向为北北西—南南东，倾向南西，呈缓倾斜—倾斜产出，以倾斜矿体为主，倾角在11～63°之间变化，平均倾角为37°，浅部较平缓，往深部变陡。

顶板围岩主要为变钠质熔岩及辉长辉绿岩，底板围岩主要为变钠质熔岩。顶、底板岩层完整性好，岩石风化程度弱，岩石多属坚硬、半坚硬岩类，矿岩抗压强度较高，稳固性好。因地表有河流、公路、工业及民用设施等需要保护，属典型“三下”开采，为确保地表的安全稳定，本文在矿围岩总体稳固这一条件下，提出了采用点柱充填法开采的思路，采用点柱式上向分层充填采矿法。

本文采用FLAC3D数值模拟计算论证在该采矿方法条件下，地下开采对地表的稳定性是否产生影响，采矿方法是否合理可行，安全是否可靠。综合工程地质调查、岩体质量评价、现场实际采矿工程的情况进行分析，利用Hoek-Brown准则折减处理岩石物理力学参数，所得岩体物理力学参数结果如表1所示。

表1 岩体物理力学参数取值表

1 采场结构尺寸与采矿方法工艺

该矿山矿段采用点柱式上向分层充填采矿法采矿，分段高度 20 m，矿块沿走向长度 40 m，矿块垂直走向宽度为矿体水平厚度，矿块间留 4 m 宽间柱，矿块内留 5 m×5 m 点柱，点柱间距约 13.5 m。在上部区段已先回采，下部区段后回采情况下，下部区段的顶部要留设顶柱(上下区段的隔离矿柱)，以保证下部区段回采的安全。类比其它矿山，选择顶柱高度为 12 m，回采分层高度为 4 m，空顶高度为 1.8 m。每一分层回采结束后，将回采联道脉外部分挑顶并垫高底板后形成上一分层的回采联道。每一分层采后需及时充填，充填分底层和面层两部分，底层用废石和尾砂充填：先用井下掘进废石充填，然后采用非胶结充填3.4 m，最后进行胶结充填铺面，铺面厚度为 0.6 m。其中非胶结充填材料采用 -10 mm 级配碎石与砂仓自然分级尾砂混合料，废尾比为5∶5，不添加或少量(灰砂比1∶20至1∶30)添加水泥，输送浓度为80%；胶结充填骨料采用 -10 mm 级配碎石与砂仓自然分级尾砂混合料，废尾比为7∶3，灰砂比为1∶7，输送浓度为83%，面层充填体强度为 2 MPa，以保证无轨采掘设备运行的要求。

2 矿段地下开采围岩稳定性FLAC3D数值模拟研究

2.1 计算模型的建立

本次数值模拟研究采用FLAC3D数值软件，几何模型尺寸尽可能逼近地表及地层实际模型尺寸[1]。模型y方向为矿体走向方向，长度为 900 m ；模型x方向垂直矿体走向方向，长度为 1 000 m；模型z方向为竖直方向，模型底部标高 -300 m，顶部最高标高 928 m，模型最高高度 1 228 m。

计算域边界先施加自重应力场和构造应力场，然后采取位移约束。采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型。模型共划分为 516 992 个单元体，553 755个节点，最终生成的网格和建好的模型如图1、2所示。

图1 三维数值模拟计算模型

根据地应力测量结果，该铁矿主采区附近的地应力场情况为：最大主应力方向为218°，此方向的侧压力系数为1.3；最小主应力方向为128°，此方向的侧压力系数为0.75～0.8；中间主应力近似为铅垂方向，其数值大小约等于岩体自重。

数值模拟研究中的矿房开挖尺寸：沿走向长度为 40 m，矿块垂直走向宽度为矿体水平厚度，矿房之间留 4 m 宽间柱，矿房内留 5 m×5 m 点柱，点柱间距约 13.5 m，与实际采场布置尺寸相同。模型单元体尺寸为5～8 m，与实际工程尺寸的比例约为5∶100。

2.2 预留矿房间柱和点矿柱，采后充填围岩稳定性分析

某矿段采用点柱式上向分层充填采矿法采矿，开采过程是采一层充一层，分层高 4 m，回采作业与充填作业交替进行，这样可使采空区及时得到支撑，限制围岩和矿柱变形的发展，保证了工作面的安全以及降低地表的下沉程度。文章限于篇幅，只提供了部分矿体沿走向方向上的开挖充填顺序图片(图3)。

图3 矿房沿走向开挖充填计算模拟顺序

2.3 岩体塑性区分布特征

从模拟结果塑性区分布云图(图4—9)可以看出：

图4 矿体全部开采充填后地表塑性区分布云图

1)地表只是在局部出现了零星的塑性区，如图4所示，并且地表以下较深处还是实体，再结合图5的2个典型剖面的塑性区分布图可以看出，地下开采充填后产生的塑性区并未贯通到地表。因此，地表出现的零星塑性区不会构成安全隐患，此时地表岩体整体是稳定的。如图6、8所示，充填后顶板(上盘)基本上未出现塑性区，塑性扰动区分布很少，对顶板整体稳定性影响不大，而且顶板沿走向方向上未出现相互贯通的塑性区，塑性区主要集中在矿房间柱和点矿柱上，所以此时的顶板整体是稳定的。

2)矿柱塑性区分布如图7所示，矿房充填后，矿柱还是处于高应力塑性屈服状态，说明尾砂充填体对顶板的直接支撑抗力是很有限的，即使是高强度的胶结充填体，因其强度和弹性模量远比原岩低得多，是原岩弹模的十分之一至数百分之一，不可能起到原岩矿柱的支撑作用，大部分地压仍要靠矿柱自身支撑。充填体的塑性区主要出现在矿柱与充填体的交界处，如图9所示。

3)如图6—8所示，虽然尾砂充填体承载能力有限，但其重要的作用是消除了空区，可阻止顶板变形破坏的发展，消除顶板大面积冒落的可能性，避免灾难性的地压活动，能有效缓和及抑制地压显现，同时还能改善围岩及矿柱的应力状态，提高其自身支承能力。

2.4 地表位移变形特征

从地表位移变形图(图10—12)可以看出：垂直矿体走向地表x方向水平最大位移为 6 mm，沿矿体走向地表y方向水平最大位移为 5 mm，地表最大下沉(沉降)位移为 2.95 cm，下沉变形量很小，此时地表处于稳定状态。由此可见，矿房里的矿体在边采边充的情况下未影响到地表及地表工程设施。最大下沉变形区域位于中部比较厚大矿体的正上方地表区域。