无底柱分段崩落采矿法地压显现规律数值模拟分析

童玉升 李士超 王攀 陈宜华3

摘要：夏甸金矿主要采用无底柱分段崩落采矿法对厚大矿体进行开采，随着开采深度增加，采场地压逐渐增大，且矿岩属性较易因开采扰动发生次生应力场变化，导致地压灾害产生。基于Flac3D软件对深部采场地压活动进行数值模拟，分析采场地压变化规律。数值模拟结果表明：无底柱分段崩落采矿法采场回采进路中顶底板水平应力较大，两帮垂直应力较大;在靠近回采工作面处的顶板中水平应力出现集中;相邻进路之间应力会出现转移。回采过程中需要对采场顶板进行水平应力监测，回采进路时要注意对相邻进路进行应力监测。

关键词：无底柱分段崩落采矿法;Flac3D软件;数值模拟;应力分布;地压规律;地压监测

中图分类号：TD853.36文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2022）06-0032-03doi：10.11792/hj20220607

地下开采矿山在开采过程中，采场中的原始應力场遭到破坏，岩体中的应力重新分布，形成次生应力场。开采前了解岩体中应力场的分布特点，对选择合适的采矿方法和合理的结构参数具有重要意义[1-4]。

招金矿业股份有限公司夏甸金矿（下称“夏甸金矿”）主采矿体裂隙较发育，岩体不完整，围岩破碎程度高，主要采用无底柱分段崩落采矿法回采。随着开采深度的增加，采场地压逐渐增大，且受开采扰动的影响，易产生次生应力场变化，导致地压灾害产生。本文基于Flac3D软件对深部采场地压活动进行数值模拟，分析采场地压变化规律，为深部矿体的安全高效开采提供技术支撑。

1 工程背景

夏甸金矿主采矿体分布在招平断裂带中段的芝下—姜家窑断裂带下盘，工业矿体主要赋存于断裂带下盘40 m内，而断裂带下盘次级构造极发育，围岩蚀变程度高，从断裂带往断裂带下盘，其蚀变岩分带依次是断层泥带、黄铁绢英岩化碎裂岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带和黄铁绢英岩化花岗岩带，矿体主要赋存于黄铁绢英岩化碎裂岩带，部分延伸入黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带中，裂隙发育，岩体不完整，因此围岩的破碎程度高[5]。

夏甸金矿现阶段主要开采水平为-740 ～-700 m，厚大矿体主要采用无底柱分段崩落采矿法开采。无底柱分段崩落采矿法影响区域地压显现较其他地方强烈，进路冒顶和片帮发生的频率更高。目前，在开采过程中，由于深部采场地压较高且易受开采扰动的影响，深部采场及巷道中部分区域出现了顶板冒落、顶板围岩破碎、两侧岩壁片帮等现象[6-7]。因此，有必要对深部采场进行数值模拟分析，掌握其地压分布规律，从而采用适当的措施来控制和减小地压。

2 基于Flac3D软件的数值模拟

2.1 力学参数

基于矿山开采整体稳定性分析，依据矿山岩石力学试验结果，岩体参数经过折减处理后，确定了此次数值模型中的岩体物理力学参数，结果如表1所示。

2.2 数值模型构建

本次采用Flac3D软件模拟矿山无底柱分段崩落采矿法采场单翼阶梯回采。本次模拟主要分析在单翼阶梯回采过程中采场的应力变化情况，模拟过程中相邻进路的回采进度相差10 m，不同模型之间回采进度相差5 m，其回采过程如图1所示。

本次数值模拟以夏甸金矿-740 m中段无底柱分段崩落采矿法采场为工程背景，模型长×宽×高为180 m×185 m×180 m。无底柱分段崩落采矿法采场长度40 m，高度40 m，分段高度10 m，进路间距10 m，目前采用的回采方式为单翼阶梯回采。根据矿山采场工程概况建立模型[8-9]，如图2所示。

2.3 初始应力平衡

实际地下开采模拟过程中，默认自重应力场已经处于稳定状态，且塑性变化还未发生，即位移和塑性变化为零，故在矿体开挖计算之前通过命令设置，将自重应力计算过程中的位移和塑性变化清零，仅保存其应力场，如图3所示。

3 数值模拟结果及分析

3.1 沿走向应力分布

对回采进路沿走向应力分布进行数值模拟，模拟结果如图4～6所示。从图4～6可以看出：回采进路的顶板及底板中出现了应力集中，最大水平应力值为32.8 MPa，未进行回采的进路顶底板中应力值较小，平均值为26.0 MPa;同时由于相邻进路回采的影响，同一分段未回采的进路顶板中也出现了一定程度的应力集中。这说明在同一分段内，一条进路的回采会使得该分段内相邻进路顶板中应力增加，即进路在回采过程中会将应力转移至相邻的进路中，使得其应力值增加。

此外，从图4～6还可以看出：在刚开始回采时（第二条进路回采15 m），回采进路顶板中并没有较大的应力集中，其最大水平应力值为29.0 MPa;当回采至一定距离（回采20 m），顶板中水平应力值增大至32.8 MPa，这表明在单翼阶梯回采过程中，顶板中的水平应力值并不是一直很大，只是在回采至一定阶段（约20 m）时，顶板中的水平应力才会出现一个较大的值。

3.2 垂直应力分布

对回采进路垂直应力分布进行数值模拟，结果如图7所示。从图7可以看出：回采进路的两帮出现垂直应力集中，最大垂直应力值为29.2 MPa，而且下分段回采进路两帮垂直应力明显大于上分段。对比回采过程中最大垂直应力发现，随着回采长度增加，回采进路两帮中的垂直应力逐渐下降，下降幅度较小。

3.3 垂直走向应力分布

对回采进路垂直走向应力分布进行数值模拟，结果如图8所示。回采过程中，在靠近回采工作面的区域，回采进路顶板中水平应力有一定的增加，最大值为57.1 MPa;远离工作面一段距离（约为4 m）后，顶板中的水平应力值又恢复正常，正常值平均为47.5 MPa;在回采进路的末端，即靠近分段联络巷的区域，回采进路顶板中水平应力又有一定的增加，最大值为52.5 MPa，回采进路末端应力增加区域的长度约为2 m。因此，在一定程度上可以说明，为什么回采进路和分段联络巷的交叉口岩体破碎程度高。下分段的进路中也有类似的应力分布特点，即进路在未回采时，其顶板中的水平应力就呈现两端应力高，中间应力低的特点。因此，支护工作也可以据此有针对性地展开，在回采进路工作面附近及末端保证足够的支护强度，在回采工作面后方4 m及以后的范围，支护工作可以相对减少。

4 支护建议

根据对深部采场地压活动进行数值模拟分析所得的地压分布规律，夏甸金矿在单翼阶梯回采过程中可采用多种针对性措施控制和减小地压。回采进路的顶板水平应力值在回采至一定距离（约20 m）时会突然增大，因此仅在回采进路20 m后提高支护强度，减少了回采进路工作面整体的支护工作;在回采进路工作面附近及末端加强支护强度，减少了工作面后方的支护工作。

这些举措不仅可以有效改善回采进路中的应力分布状态，保障采场作业安全，而且有利于减轻支护工作压力，提高出矿效率，扩大矿山生产能力，对夏甸金矿深部开采工作具有积极的意义。

5 结 论

1）无底柱分段崩落采矿法采场回采进路中顶底板水平应力较大，两帮垂直应力较大，在靠近回采工作面处的顶板水平应力出现集中，远离回采工作面一段距离（约为4 m）后，顶板水平应力值恢复正常。回采时，要注意靠近回采工作面岩体顶板的稳定性。采场中位移量较小，回采进路收缩量小。

2）同一分段内在进行回采时，相邻进路之间应力会出现转移，因此在回采进路时要注意对相邻进路中应力的监测。

3）在单翼阶梯回采过程中顶板水平应力并不是一直保持一个很大的值，因此在回采前20 m时并不需要很多支护工作，支护工作的重点是回采进路的20 m后。

[参 考 文 献]

[1] 胡宝文.基于大间距无底柱分段崩落法的巷道围岩力学行为研究[D].北京：北京科技大学，2017.

[2] 宋卫东，梅林芳，谭玉叶，等.大间距无底柱分段崩落法采场地压变化规律研究[J].金属矿山，2008（8）：13-16，39.

[3] 朱强，陈星明，张志贵，等.某矿无底柱分段崩落法采场的爆堆通风[J].金属矿山，2017（1）：179-182.

[4] 彭张，刘强，魏银鸿，等.自然崩落法放矿量与底部结构应力分布关系研究[J].有色金属，2020，72（2）：1-4.

[5] 周宗红.夏甸金矿倾斜中厚矿体低贫损分段崩落法研究[D].沈阳：东北大学，2006.

[6] 周东良，何少博，董经纶，等.无底柱分段崩落采矿法回采方式对进路应力影响的模拟分析[J].黄金，2016，37（2）：30-34.

[7] 杨悦增，何少博，王金波，等.夏甸金矿崩落法隐伏采空区稳定性分析[J].有色金属，2017，69（4）：26-29.

[8] 郭忠平，冯帆，黄瑞峰，等.单一巷道进路式回采上覆充填体力学行为及稳定性研究[J].金属矿山，2014（4）：60-64.

[9]李涛，李明亮，单麒源，等.基于FLAC3D模拟的软岩巷道地压显现规律研究[J].山西建筑，2020，46（16）：61-64.

Numerical simulation analysis of ground pressure appearance laws

of pillarless sublevel caving method

Tong Yusheng1，Li Shichao2，Wang Pan3，Chen Yihua3

（1.Xiadian Gold Mine，Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.

;

2.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.;

3.School of Energy and Environment，Anhui University of Technology）

Abstract：The Xiadian Gold Mine mainly mines thick and large ore bodies by pillarless sublevel caving method.As the mining depth increases，the ground pressure increases gradually，and the mineral properties are more susceptible to secondary stress field changes due to extraction perturbations，leading to ground pressure disasters.Based on Flac3D software to numerically model the activity of deep stope ground pressure，the law of stope ground pressure change is analyzed.Numerical simulation results showed that the horizontal stress of roof and floor was larger and the vertical stress of two sides was larger in the recovery access of pillarless sublevel caving method;horizontal stress appears concentrated in roof close to the extraction working surface;stress transfer in adjacent accesses occur.Horizontal stress monitoring of the roof of the stope is required during recovery process，and the stress should be monitored on the adjacent access when one access is recovered.

Keywords：pillarless sublevel caving method;Flac3D software;numerical simulation;stress distribution;ground pressure law;ground pressure monitoring

收稿日期：2021-11-20; 修回日期：2022-04-08

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0801605）

作者简介：童玉升（1990—），男，山東招远人，工程师，从事金属矿山开采工艺技术研究工作;山东省招远市夏甸镇，招金矿业股份有限公司夏甸金矿，265414;E-mail：chenyh_1234@163.com

通信作者，E-mail：chenyh_1234@163.com，13956233927