基于FLAC3D的龙门山矿东采区回采方案优选

2022-11-04高兴红李同鹏3

现代矿业 2022年10期

高兴红操帅李同鹏3

（1.六安市安全生产监察支队；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

在进行深部开采时，尤其是在一些高地应力和大规模开采条件下，采场所承受的风险比一般情况下更高［1-2］。随着计算机技术崛起，数值模拟成为研究开采方案优化中重要的工具和方法。赵杨等［3］借助三维地质模型软件GOCAD建立了精细的矿体模型，在数值模拟计算结果中，综合比较不同开采方案对充填体、水平矿柱所产生的影响，从而选取最优的开采方案。于世波等［4］通过数值模拟及现场监测相结合的手段，探究围岩变形控制中充填体的作用。吴顺川等［5］以甘肃某矿为研究对象，利用有限差分法，研究回采过程中水平矿柱力学变化和响应情况以及矿柱的沉降规律。

龙门山铜矿东部采区为分段空场嗣后充填法，因位于L23矿体最厚大部分，划分了多个采场，其中部分采场已回采完毕未充填，形成一片较大面积的采空区，而与之相邻的几个采场开采对采空区的稳定性影响不明确。对东采区E3北和E4采场提出5种充填回采方案，通过数值模拟手段，研究不同开采方案的安全性，从而确定最优回采方案。

1 矿山开采条件

1.1 矿体构造

龙门山铜矿位于安庆市怀宁县月山镇北西约1.5 km的铁铺岭与小门山处，共有26个矿体，分别为L1～L14、L16～L27，其中平衡表内铜矿体17个，平衡表外铜矿体6个，单铁矿体3个。L7、L23为主要矿体，L9为次要矿体，其他属于小矿体。

矿体赋存于矽卡岩中，在111与121勘探线之间，沿走向具分叉现象，在084线以东膨胀。赋存标高为-450～-603 m，其中-530 m水平处有延伸长度约为200 m的较大规模矿体。

1.2 矿区岩土力学参数

对矿区岩石进行取样，制作标准岩样，并进行各项室内试验，最终获取岩样的各项力学参数，见表1。

1.3 矿区开采现状

如图1所示，东部采区为L23矿体最为厚大部分，采用分段空场嗣后充填法两步骤回采，划分矿房和矿柱，宽度均为12 m，由于三～六采场矿体太厚，采场长度太长，在中间设置了一条宽度为12 m的隔离间柱，将三～六采场分成南北采场，总共划分了E1、E2、E3南、E3北、E4南、E4北、E5南、E5北、E6南、E6北、E7和E8共12个采场，截止现场调研时，E1、E2、E3南、E5、E6南已经回采结束，E5北已经进行胶结充填，E5南和E6南正进行胶结充填，E6北正进行开采，由于E1、E2和E3南未进行充填，且连成一片，造成采空区面积过大，可能影响其他采场的安全。

2 数值模拟模型

2.1 计算几何模型

图2为依据东部采场矿体及实测空区三维模型构建数值计算模型，不同的颜色代表采区或采空区。对空区三维模型做简化处理，以使计算速度加快。数值模型长300 m，宽200 m，高200 m，模型Z向标高为-610～-410 m。

矿体赋存矽卡岩中，本次数值模拟相关的力学参数见表2。

2.2 岩体本构模型及破坏准则

摩尔-库仑本构模型适用于在剪应力作用下屈服的材料，其中剪应力只取决于最大和最小主应力，第二主应力对屈服没有影响，即认为当材料某区域的剪应力达到某一特定值时，该区域就进入屈服，通常用来模拟地下开挖。本次模型采用摩尔-库仑准则和最大拉应力复合破坏准则。

2.3 初始地应力场及边界条件

地下开采引起的岩体应力、位移变化是在原岩初始应力状态下发生的，原岩应力直接关系到计算结果的可靠性。假定岩体为均质、连续的各向同性体，矿体模型顶部标高为-410 m，地表处的最高标高为50 m，故矿体顶板至地表高度差为460 m。因此需要在模型上部加载厚度为460 m的围岩重力应力场，经计算加载量为13 MPa。

选取3个地应力观测点，由浅至深依次为-530 m中段测点、-605 m中段测点、-680 m中段测点，由于同一水平面测点数偏少，故本次研究只能假定模型表面的地应力大小是按深度等差分布，在各点与各点之间进行应力插值计算，则计算模型区域内应力梯度见表3。

注：ε1，ε2，ε3分别为3个主应力分布梯度，MPa/m。

模型除上边界外为自由面，其他边界位移限制为零。

在表3的基础上，采用应力边界法加载自重和构造应力，运用分阶段弹塑性求解，即采用自重及构造应力的复合应力场。

3 数值模拟结果

由于E1、E2和E3南未进行充填，连成一片造成采空区面积过大，需要分析空区对E3北、E4采场开采造成的影响，在保证安全的前提下，尽可能多地回收该部分矿体。针对该目标，制定了多种开采方案，详情见表4。

分析L23东部采场采空区所承受的最大主应力、最小主应力及最大位移，以判定各方案的安全性优劣。

3.1 应力计算结果分析

3.1.1 最大主应力计算结果

因篇幅有限，仅展示方案一模拟结果。从图3中得知，L7空区顶板呈受拉状态，因此最大主应力为拉应力，最大受力点位于L7空区顶板处，其拉应力值达0.853 MPa，围岩最大抗拉强度为0.918 MPa，其安全系数为1.076，易发生冒落破坏。L23东部采场空区主要张拉区域位于空区顶板，最大受力点位于E3N与E4N采场空区中央部位，其拉应力值达到0.6 MPa，小于围岩最大抗拉强度0.918 MPa（根据FLAC3D软件对应力的方向规定，正值表示拉应力，负值表示压应力）。

表5为各方案L7空区顶板受力情况统计，各方案对L7空区及周边受力状态与开挖前当前状态一致，说明该方案在L23东部采场的开挖因距离L7空区较远，并没有影响到L7空区及周边受力状态。

3.1.2 最小主应力计算结果

图4为计算完毕后方案一部分标高所受最小主应力云图。从图4中可以看出，采场及空区周边一般承受压应力，因此最小主应力为压应力，受力点一般位于L7空区的东部和南部，L23东部采场的西部和北部，且在这2个区域之间的隔离间柱处相接。当前状态下，L23东部采场周边围岩最大压应力值约为24.7 MPa，小于抗压强度。

模拟结果得出，方案一至方案五所受压应力分别为24.7，24.62，24.51，24.56，24.60 MPa，位置均处于L7空区的东部和南部、L23东部采场的西部和北部。根据对各方案最小主应力的比较，各方案L23东部采场周边最小主应力相差不大，且均较小于最大抗压强度。

3.2 Z向位移计算结果

图5为方案一计算完毕后Z向位移云图，其中正值代表向上，负值代表向下。由图5中可知，空区顶板为位移方向向下，底板为位移方向向上，最大向下位移处位于采场空区与充填体交界处，达到36.42 cm。

方案一至方案五所发生最大位移值分别为36.42，36.42，36.37，47.50，36.42 cm，最大位移均为采场空区与充填体交界处。根据对各方案下沉位移的比较，除了方案四外，各方案L23东部采场周边最大Z向位移值相差不大。

3.3 方案比较分析

各方案详细的最大拉应力值及张拉范围面积比较见表6。

从安全角度考虑，根据空区顶板最大拉应力值、平面范围大小及抗拉安全系数进行方案排序，可以得到各方案优劣：方案一＞方案三＞方案四＞方案五＞方案二。

从其他方面考虑，各方案优劣对比情况如下：

（1）方案一因充填所有采空区，所以采空区顶板所受拉力值最小，所受张拉面积也最小，采空区的安全系数最高。

（2）方案二则因不充填采空区，使得空区顶板暴露，最大受拉应力平面范围突增至736 m2，所受拉应力值也最大，为0.8 MPa，并且位于隔离矿柱北部E4南空区中部处接近极限抗拉强度0.9 MPa，顶板易发生大面积张拉破坏，不安全，不予考虑。

（3）方案三、四、五皆为采场内留设矿柱及回采后部分胶结充填方案。方案三与方案四比较相似，其中方案四需要充填E4北采场空区，但结果显示两方案隔离矿柱南部及北部空区顶板所受拉应力及拉应力平面范围相差不大，安全系数均大于1.3，且方案四要求E4北采场胶结充填，使得成本较大，所以方案三优于方案四。

（4）方案五与方案三在隔离矿柱南部空区处理方案相同，均在E4南采场中央留设矿柱，因此南部的拉应力与方案三几乎相同。但在隔离矿柱北部空区处理上有所不同，于E3北北部留设矿柱，方案三未在E3北中央留设矿柱，所以方案三在隔离矿柱北部无应力集中点，而方案五北部空区存在一个拉应力集中点，其值约为0.65 MPa，相比较于最大抗拉强度0.918 MPa，北部的安全系数为1.41。方案五的安全性低于方案三，但方案五留设的北部矿柱矿量低于方案三留设的中央矿柱矿量，所以方案五要优于方案三。

根据上述比较，方案二代表的不充填采空区方案虽然成本最低，但最为危险，易发生冒顶事故。方案三、四、五代表的采场内留设矿柱，回采后部分胶结充填采空区方案，说明留设矿柱能够一定程度提高安全性，回采成本也相应较为合适。根据不同留设矿柱充填方案，使得空区顶板受力情况不同，本文中方案五的留设矿柱量较低，回采的矿石量比其他2个方案高，且安全系数只是稍低，属于这一类方案中最优解。方案一代表的胶结充填所有采空区最为安全，但是成本也是最高的。