充填法开采矿体三维模型构建及井筒稳定性分析①

2021-11-13刘建博付建新

矿冶工程 2021年5期

刘建博，付建新，王灵，张超

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

矿体开挖后，会引起围岩应力重新分布，可能会导致围岩发生局部破坏，从而影响井巷工程的稳定性［1］。因此，准确有效地判断矿体开挖后是否会造成井巷工程失稳破坏，是当前采矿工程研究的重点课题之一。专家及学者对井巷工程的稳定性进行了诸多卓有成效的研究，常见的研究方法有理论分析法［2－4］、现场监测法［5－6］、数值模拟方法［7－8］等。

随着现代采矿技术不断发展，三维建模软件与数值模拟软件成为采矿工程必不可少的技术手段。为了探明矿体储量及其存在的空间状态，并保证采矿过程安全，诸多学者利用三维软件进行矿体建模，确定矿体储量和空间分布状态［9－11］，然后经与其他软件网格划分功能耦合，建成可供数值模拟软件进行计算的模型，最终进行矿体开挖模拟研究。本文在前人研究的基础上，采用3DMine-Rhino-Griddle软件进行某矿区矿体与竖井建模，经过FLAC3D软件进行矿体开挖模拟，研究矿体开挖对竖井稳定性的影响，为矿山稳定性开采提供理论依据。

1 矿区概况

某矿区属低缓丘陵区，地势起伏较小，东部较高，南、北、西部较低，海拔最高＋192.09 m、最低＋46.08 m，相对高差146.01 m。矿区在浅部区域主要赋存矿体包括Ⅶ-1号和Ⅶ-2号。开采范围内岩体较稳固，井筒及运输巷道位于绢英岩化花岗岩中，岩体完整性较好，整体块状结构，属坚硬岩石，工程地质条件良好，在探矿施工过程中无不稳定因素。

本次开采范围是采矿权范围内－120 m水平以上矿体，采矿方法为上向水平分层尾砂胶结充填采矿法。根据矿体赋存情况，自上而下进行矿体回采，分为5个步骤，设计首采中段为0 m水平以上矿体。然后逐次开采0～－30 m水平、－30～－60 m水平、－60～－90 m水平和－90～－120 m水平。

类比同类矿山数据，参考《采矿设计手册》，进行矿区地表移动带圈定，矿体上盘岩石移动角70°，下盘及侧翼移动角75°，圈定结果如图1所示。图中虚线框为地表移动带，实线框为采矿许可证矿权范围。观察各矿体地表移动范围，可见主竖井、1＃竖井、2＃竖井位于地表移动带范围内。为验证矿体开采对主竖井稳定性影响，有必要在矿体回采时对主竖井的稳定性进行分析论证。

图1 地表主要建（构）筑物位置及移动带圈定

2 井筒保安矿柱范围确定

保安矿柱是指为保护地貌、地面建筑、构筑物和主要井巷等而留下的不采或暂时不采的部分矿体［12］。根据《采矿设计手册》（矿床开采卷下）中对地表建筑物保护等级的规定，并结合移动带内井筒的用途，主竖井、1＃竖井、2＃竖井井筒均属于Ⅰ级保护，保安矿柱按照以地表距离3个井筒20 m为界限，并根据矿体上盘岩石移动角70°、下盘及侧翼移动角75°，利用3DMine进行保安矿柱圈定，如图2所示。

图2 保安矿柱示意

3 模型验证与结果分析

3.1 数值模型的构建

利用FLAC3D软件实现矿体回采模拟，研究矿体回采对主竖井稳定性的影响，确保矿体安全回采。基于3DMine-Rhino-Griddle软件，将矿区地表、矿体、巷道、围岩经过软件的不同功能、不同格式的转换、网格划分，最终建成可被FLAC3D软件识别的模型，通过设定初始条件以及工况，实现矿体开挖模拟，模型效果如图3所示。

图3 数值模型

3.2 岩石力学参数及初始应力确定

根据室内基本力学试验，以及结合现场由于岩体受到爆破扰动等多重因素影响，其力学参数远小于室内试验获得的基本力学参数。采用Hoek-Brown准则进行岩石力学参数折减处理，最终确定岩石基本力学参数如表1所示。

表1 基本岩石力学参数

根据经验法所做的应力现场实测数据，得到应力随深度的回归方程，如式（1）所示。施加初始地应力场，并设置重力加速度为9.8 m／s2，生成初始应力场。

3.3 模拟方案及监测点布置

本次模拟研究内容为各中段回采结束后井筒的变形情况，对矿区内主竖井进行监测，在高程方向上间隔25 m布置监测点（共16个），监测矿体开采后井筒的水平、垂直变形情况，如图4所示。

图4 井筒监测点布置

3.4 结果分析

3.4.1 主竖井位移分析

结合模拟结果，对各步骤开采结束后主竖井的变形情况进行统计分析，结果如图5所示。由图5可知，随着回采的进行，主竖井水平位移量和垂直位移量均逐渐增加。50 m水平以上，由于主竖井距离矿体较远，变形量较小，水平方向最大向西移动0.8 mm，垂直方向最大向下移动0.4 mm，说明矿体的开采对此范围内主竖井稳定性影响极小，回采过程中主竖井保持稳定状态；50～－50 m水平，由于主竖井距离矿体较近，回采矿体时，主竖井变形量较50 m水平以上迅速增加，水平方向变形量最大向西移动3 mm，垂直方向上主竖井显现出明显的双向变形，50～0 m水平，垂直变形量最大向下移动0.6 mm，0～－50 m水平，垂直变形量最大向上移动0.4 mm，0 m水平受到明显的挤压作用，但其变形量较小，主竖井仍保持稳定状态，在回采矿体时，应加强对此范围内主竖井位移的监测，如果此范围内主竖井变形量突然增大，应及时对其进行支护处理；－50 m水平以下，主竖井距离矿体逐渐变远，变形量也迅速减小，水平方向最大向西移动2.1 mm，且随着深度降低，水平变形量逐渐减小，垂直变形量最大向下移动0.5 mm，说明矿体回采对此范围内主竖井稳定性影响较小，主竖井保持稳定状态。总体来看，主竖井变形量均小于10 mm，说明矿体回采对主竖井均未造成较大扰动，在矿体开采过程中主竖井保持稳定状态，但应加强对50～－50 m水平主竖井变形量的监测，避免因变形量较大而造成主竖井失稳。

图5 主竖井变形情况

3.4.2 主竖井应力分析

图6为5步骤回采结束后矿体与主竖井的最大、最小主应力和垂直应力变化规律拟合图。据图可知，矿体回采过程中，最大、最小应力主要集中在矿体周围，而远离矿体的主竖井周围则基本保持初始应力状态。回采1步骤结束，矿体最大主应力62 MPa、最小主应力25 MPa、垂直应力53 MPa。而后，随着回采步骤进行，最大主应力以多项式形式增长，增长速率呈现先增加后减小趋势；当回采进行到第3步骤时，由于开采深度下降，最大主应力增幅较大，达到80 MPa，随后进入平稳状态，未有较大波动。最小主应力自步骤1回采开始，基本保持在25 MPa左右，基本处于初始应力状态。垂直应力以缓慢的速率增长，到5步骤回采结束后，其值为56 MPa。

图6 主竖井应力变形情况

矿体自上而下分阶段开采，随着回采步骤进行，对最大主应力影响较大，当开采进行到第3步骤时，最大主应力达到峰值，步骤4、步骤5最大主应力有所下降但基本保持平稳。说明采用充填法进行矿体回采，可有效维持围岩稳定性，避免主竖井受到破坏。

3.4.3 塑性区分析

塑性区变化规律见图7。在前3步骤开采过程中，破坏以拉伸破坏为主、剪切破坏次之。后2步骤开采过程中，破坏以剪切破坏为主、拉伸破坏次之。其中剪切破坏主要出现在采场上、下盘围岩中，拉伸破坏出现在顶板位置，井筒附近未发生塑性破坏。自步骤1开始，拉伸破坏以线性规律增长，剪切破坏以多项式形式增长。开采结束后应及时进行充填，避免剪切破坏区域延伸到主竖井周围。