巖溶大水礦體間柱回采數值模擬研究

王 磊 生兆峰 郭 偉

(1.淮北徐樓礦業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

·采礦工程·

巖溶大水礦體間柱回采數值模擬研究

王 磊1生兆峰1郭 偉2，3，4

(1.淮北徐樓礦業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

巖溶大水礦體開采難度較常規礦體大，特別是二步驟礦柱回采，在第四系巖溶大水的條件下，常規的礦柱回采技術已難以滿足安全需求，采用計算機數值模擬能較好的解決這一缺陷。以徐樓鐵礦為例，在該礦開采技術及礦巖取樣的基礎上，利用FLAC3D數值模擬手段，以間柱礦體中預留點柱的數量及位置來劃分回采方案，研究了礦柱內部應力及位移變化規律，對間柱回采進行了穩定性分析。通過分析對比得出最優方案，并在富水下回采時對頂板隅角及中央處進行了防水作業，保證了回采工作的安全。

第四系 巖溶礦體 FLAC3D數值模擬 間柱回采

隨著我國礦產資源需求的日益增大，地下礦產資源急劇衰減，尤其是那些開采條件相對較好的礦床，人們不得不將目光集中在難采的礦床上。在我國山東、河北等地出現了一批巖溶大水礦山，如長江北岸的和成鐵礦、河北閆莊鐵礦等。這些礦山地處平原，第四系層厚及含水量大，回采難度較大，尤其是二步驟礦柱的回采，既要盡可能的回收礦產資源，又要防止礦柱回采時擾動頂板防水層，帶來安全隱患。對于這類礦產資源的開采，需要通過科學的方法進行分析論證。本文以徐樓鐵礦二步驟礦柱回采為例，對其開采進行了模擬研究,為此類型礦體的回采提供經驗。

1 開采技術條件

徐樓鐵礦位于淮北市濉溪縣境內，距淮北市15 km。礦區為沖積平原，地勢平坦，地表海拔高度30 m 左右。徐樓礦區石樓礦床一礦帶為該礦重點礦床，位于閃長巖與大理巖連接帶及附近的大理巖內。礦體受構造控制明顯，沿閃長巖上下兩側礦體呈水平狀，在閃長巖頂部介面隆起時，礦體呈半月形凸鏡體。礦體埋深從60 m到160 m不等。上覆有第四系巖層，頂底板主要為大理巖和閃長巖，厚度較薄。礦體埋藏于侵蝕基準面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。

礦區內皆為第四系松散沉積物所覆蓋，砂層累計厚度約40 m。第四系沉積物中粉砂、細、中砂為主要含水層，單位涌水量為0.23～0.60 L/(s·m)，滲透系數為0.76～4.10 m/d。礦體頂底板基本為大理巖，為巖溶裂隙含水層。該含水層埋藏于地表下42～120 m，厚度為40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。其富水性內部差異較大，單位涌水量大于10 L/(s·m)，滲透系數為17.8 m/d。

為防止第四系含水層導通采場，在圖1所示巖土風化線約-45 m水平以上預留約10余m厚的防水頂柱，大部分礦體位于-80 m水平以上，采用分段空場嗣后充填回采。采區沿走向布置，寬約50 m，長為礦體垂直走向長度，高為礦體厚度。采區劃分為約38 m寬的采區礦房和約12 m寬的采區間柱(見圖2)。目前，一步驟采區礦房已經回采并膠結充填完畢，由于充填空區面積較多，二步驟間柱回采研究正在展開。

圖1 石樓礦床一礦帶礦巖縱投影

圖2 采場平面布置

2 模型構建

2.1 本構模型及破壞準則[1]

采用FLAC3D軟件計算，顯式差分法求解，相對于有限元法，能更好的模擬材料的塑性破壞和塑性流動，更為準確恰當地適應分步開挖回采數值模擬的要求，并可自動處理計算結果，提供彩色圖形顯示的等值線的應力場和位移場。

選用摩爾-庫倫巖土通用模型(Mohr-Coulomb)，該模型采用復合破壞準則。圖3即為FLAC3D摩爾-庫倫破壞準則表現形式。

抗拉強度：

σmax=c/tanφ ,

(1)

抗剪強度：

|τ|=c+σntanφ ,

(2)

圖3 FLAC3D破壞準則

2.2 初始力學參數及地應力場[2]

實驗室力學試驗參數應用于巖體工程時需進行強度折減。采用常用M.Georgi法處理相關參數，折減后力學參數見表1。

表1 折減后礦巖力學參數

地應力是存在于地層中的天然應力，是引起采礦工程變形和破壞的根本作用力。采場圍巖的失穩主要由于開挖過程中引起的巖體應力重新分布，超過圍巖強度，引起圍巖過分變形而造成的，而開挖施工過程中應力重分布是否會達到危險程度要看初始地應力場的具體情況而定，初始地應力是影響采場圍巖穩定性的最主要的基本因素之一。由于礦區未進行過初始地應力場測定，且屬于淺部回采，本研究中初始地應力場按自重應力場考慮。

3 研究方案

根據相關礦體資料，建立礦體三維實體模型如圖4所示。模型X方向為沿礦體傾向方向，Z方向為礦體走向，Y方向為鉛直方向。模型Y方向底部由-100 m平面下推200 m，X、Z方向由礦柱最近端分別外推約200 m。計算范圍為空區跨度的3～5倍，對于已有巷道模型中不予體現[3]。模型實際尺寸為(長×寬×高)620 m×460 m×300 m，固定以上五個邊界的位移和速度。將巖體視為似均質和各向同性介質，采空區開挖形成是一次性的，不考慮時間效應，采用平面切面的方式描述所研究巖體內部的應力、位移狀態及塑性破壞區大小。

圖4 礦體模型

間柱寬約12 m，長為礦體厚度，為100～130 m，呈長條狀。由于間柱長度較長，采取預留部分點柱來減少采場跨度進行回采。根據預留點柱的數量，分為雙點柱方案與單點柱方案(見圖5)進行研究，經過前期數值模擬工作，雙點柱方案中，點柱長度取12，15，18 m進行分析對比，單點柱方案中，礦柱長度取30，35 m進行分析對比，各方案點柱寬度與原間柱一致，均為12 m。

圖5 間柱實體

4 結果分析

一般來說，巖體的抗拉強度遠遠低于抗壓強度，通?？諈^圍巖的最大破壞隱患來自于受拉破壞[4]。對于上部富含水層的徐樓礦頂板，拉應力會使巖體產生微裂隙或使原有裂隙擴大導通含水層，應重點考察頂板拉應力區的分布。

圖6為雙點柱方案拉應力分布云圖。從圖中可知，12，15，18 m 3個方案應力分布規律基本相同，僅是應力集中區分布范圍大小有所區別。從模擬結果來看，礦柱區域壓應力普遍在10～12 MPa。3個方案中均出現了一定范圍的拉應力區，其中18 m時拉應力極值最小，約1.16 MPa；15 m時，最大拉應力約1.43 MPa，相對于18 m，增長幅度達到了23.3%；12 m時，最大拉應力約1.62 MPa，相對于15 m，拉應力增長幅度達到了13.3%。即隨著暴露面積的加大，拉應力逐漸增大，開始布滿空區頂板。各方案中剪應力的變化規律基本與拉應力相同。12 m 時，剪應力最大為2.31 MPa，可以認為剪應力對礦柱的威脅較小。各方案應力分布及位移數值見表2。

圖6 雙點柱拉應力云圖

表2 各方案最大應力值及位移

注①表格中所統計的數值均為極值；②壓應力及剪應力數值偏小，拉應力值更接近極限值，根據拉應力來計算安全系數。

圖7為單點柱30，35 m方案拉應力云圖。35 m時，最大拉應力約0.97 MPa；30 m時，最大拉應力約1.58 MPa，相對于前者增加了62.9%。從其他數據來看，礦柱預留寬度加寬5 m后能明顯的改善頂板的受力狀況，35 m各項數值僅為30 m的50%，35 m的安全系數要明顯高于30 m。

圖7 單點柱拉應力云圖

5 結 論

(1)間柱回采前受力狀況較好，可以考慮對其進行部分回收。預留點柱能很好的轉移并承擔應力，隨著開采跨度的增大，應力轉移的幅度也逐步加大；在各應力中，拉應力對頂板的威脅要高于其他應力。

(2)空區頂板拉應力集中區大多分布于礦體頂板的隅角及中央處，為減少拉應力對頂板巖體帶來的張性破壞，防止巖體裂隙的進一步發育，在礦體開采之前，在頂板的隅角及中央處要重點進行注漿防水作業，保障回采的安全進行。

(3)預留點柱尺寸越大，頂板安全系數提高越快，即原點柱尺寸越大，提高點柱尺寸帶來的效果越明顯。

(4)本次安全回采，關鍵在于防止受拉應力影響頂板裂隙擴展以導通含水層。經比較，在預留點柱總寬度一樣的情況下，預留兩個(多個)小尺寸的點柱要比預留一個大尺寸的點柱更有利于空區頂板的穩定，但小點柱自身的受力狀況要差于大點柱。采用雙點柱方案不僅能減少拉應力區的分布，也能提高回采率。

[1] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2] 郭 偉,張傳信,趙繼銀.大盤區高應力下礦柱回采穩定性數值模擬[J].金屬礦山,2013,443(5):27-30.

[3] 鄭守寶.礦柱回采中三維數值模擬的運用[J].中國礦山工程,2012,41(2): 12-15.

[4] 馬雄忠,王文杰.佛子礦間柱回收與空區穩定性數值模擬[J].金屬礦山,2014,452(2):22-25.

Numerical Simulation Research on Karst Water Orebody Barrier Pillar Stoping

Wang Lei1Sheng Zhaofeng1Guo Wei2,3,4

(1.Huaibei Xulou Mining Co.,Ltd.;2.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;4.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The mining difficulty of karst water orebody is harder than conventional orebody, especially for the second step pillar stoping, under the condition of karst water in quaternary system, the conventional pillar stoping method can not meet the safety requirements, the defect can be better solved based on the computer numerical simulation method. Taking the Xulou iron mine as the research example, based on mastering the mining technology conditions and ore-bearing rock samples of the mine, the stoping scheme can be divided by the number and location of the reserved point pillars in the orebody pillars by using the FLAC3Dnumerical simulation method to analyze the stress and deformation change regularity inside the pillar and conduct stability analysis of the pillar stoping. The optimal scheme is obtained by analysis and comparison, besides that,the stoping under the rich aquifer should give priority to the waterproof operation of the roof angle and central place to ensure stoping safety.

Quaternary system, Karst orebody, FLAC3D, Numerical simulation, Pillar stoping

2015-06-10)

王 磊(1982—)，男，總工程師，235000 安徽省淮北市濉溪縣。