基于FLAC3D多礦房同采圍巖的穩定性研究

許永山 孫忠文 曲玉峰 高 濤 曲軍艦

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司；2.煙臺恒邦集團有限公司)

基于FLAC3D多礦房同采圍巖的穩定性研究

許永山1孫忠文2曲玉峰1高 濤1曲軍艦1

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司；2.煙臺恒邦集團有限公司)

礦體開采將引起周圍巖體應力的重新分布，當二次應力大于巖體的強度，將使巖體破壞，導致地壓災害。地壓災害的發生還與巖性、采場結構參數及回采順序有關，不同的回采順序具有不同的地壓顯現規律。運用數值模擬軟件FLAC3D，對某礦進行了多礦房同采條件下的圍巖穩定性分析，取得了良好的模擬效果。

多礦房開采 圍巖穩定性 分段落礦階段礦房采礦法

巖體是一種既復雜又非線性、非均質的地質結構體，采礦和巖石開挖工程所涉及到的巖體介質的性質、巖體取樣的代表性、力學參數的試驗方法和標準，樣品試驗技術和環境條件等巖石工程力學問題，通常無法用常規的解析法簡單求解。在求解非線性、非均質巖體開挖條件下的力學問題時，FLAC3D數值模擬方法具有廣泛的適用性和強大的優勢，不僅能分析各種邊值問題和開挖施工的過程，而且可以很方便地模擬巖體的復雜力學特性與結構特性，計算出應力、應變等多種力學指標，并對巖體開挖工程所引起的周圍巖土體的應力、應變和位移進行預測和預報[1-2]。

1 礦區地層

某礦區出露的地層由老至新包括：元古界板溪群(Ptbn)構成本區的基底，該層巖性主要由千枚巖組成，大片出露于礦區南部；下石炭統華山嶺組(C1h)以紅色巖層的河流相沉積為特征，主要為粗細碎屑巖夾砂質頁巖，厚度28～69 m；下石炭統梓山組下段(C1z1)，以河流相-河沼相的粗細碎屑巖、黏土巖夾薄煤層為特征，厚29～61 m；下石炭統梓山組上段(C1z2)，以濱海-湖沼相-淺海相的細碎屑巖、黏土巖夾泥灰巖和薄煤層(或含炭頁巖)為特征，厚39～69 m；中上石炭統壺天群下亞群(C2-3ht1)為濱海淺灘相沉積的鈣質中碎屑巖、鈣質頁巖和白云質碳酸鹽巖，厚28～39 m；中上石炭統壺天群上亞群(C2-3ht2)主要為咸化淺海相的白云質巖石，厚139 m；白堊系新余群(Exn)為近山麓相的紅色礫巖和砂巖，廣泛分布于礦區北部，多被第四系覆蓋，厚度大于390 m。

2 礦體開采技術條件

該礦體開采技術條件較差，礦體賦存于黏土頁巖和巖漿巖的結合部位，整個礦體受F1和F3東南方向斷裂破碎帶控制，礦石以原生黃銅礦為主，膠狀黃鐵礦和黃鐵礦次之。黃銅礦、黃鐵礦中裂隙發育，巖體完整性較差，巖體普氏系數f=8～12，礦體在沒有斷層破壞時，穩定性較好。

北東向常有8～15 m的破碎帶；北西、南北向斷層破碎帶寬3～9 m，剪切節理帶寬2～4 m。受這些斷層破碎帶的影響，特別是在斷層交叉處，巖體穩定性極差，基本屬于最不穩定類巖層。此外在砂巖中，走向19°～38°及 270°～350°兩組斷層附近的巖體裂隙普遍較發育，而且裂隙密度大，巖石常常被切割成塊狀，小塊巖樣強度雖大，但巖體整體穩定性較差，總體屬于不穩定類巖層。

3 多礦房同采數值模擬分析

礦體開挖過程中將引起周圍巖土體中的應力重新分布，應力分布不均，有的區域應力小于巖土體的強度，有的區域應力集中超過了巖體的強度，導致圍巖結構破壞，造成礦體開挖過程中地壓顯現[3]。

研究不同數量礦房同時開采地壓顯現規律，有助于礦山管理者科學決策回采礦房的布置，采用FLAC3D數值模擬方法研究多礦房同采的穩定性，確定合理的采場結構參數和開采順序，分析不同礦房回采過程中采場圍巖中的應力、位移以及塑性區分布狀況，對礦體開挖過程中的圍巖穩定狀態做出科學判斷，在保證生產安全的前提下，合理布置多個礦房同時開采，最大限度地減少礦山開采成本，提高經濟效益。

3.1 模型建立

該礦體深部開采范圍從-235～-410 m，分-280，-325，-375，-415 m 4個中段。模擬過程中既要滿足工程計算精度及可靠性的要求，又要考慮到計算機的計算速度，所以選深部開采的-375 m中段作為數值模擬研究的對象，建立計算模型。

由于礦體開采開挖過程對周圍巖土體的擾動范圍基本為開挖范圍的3～5倍[4]，所以模擬模型尺寸取(長×寬×高)120 m×120 m×70 m，見圖1所示。礦體模型厚度為25 m，傾角45°，礦塊垂直礦體走向布置，中段高度為50 m，礦房底柱高度為13 m，礦房(柱)寬13 m，長為礦體水平厚度，見圖2所示。模型中z軸為豎直方向，正軸向上，z=0平面為-375 m 中段水平；y軸方向為礦體走向；x軸方向為與礦體走向垂直。

3.2 礦巖參數

數值模擬所涉及到的地質體材料參數如表1所示。

圖1 礦區計算模型

圖2 礦體計算模型

表1 模型計算采用的材料參數

4 模擬過程及計算結果分析

采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性破壞準則作為判據準則[5]。為探明礦房回采對礦柱及頂底板應力的影響，對同一采場3個礦房同時回采的情況進行數值模擬計算。結果見圖3～圖5。

圖3 三礦房同時開采時塑性區分布

從圖3可以看出，采用分段落礦階段礦房采礦法，在同一中段水平對3個礦房同時進行回采，在礦體礦房的上、下盤圍巖中產生了少量的塑性區分布，但由于分布區域沒有連續性，且都不在頂底板的關鍵部位，因此不會對礦體頂底板的穩定性造成影響。

從圖4、圖5可以看出，在三礦房同時回采模擬計算中，頂板的拉應力在2.02～2.21 MPa，垂直方向上壓應力為209.21～24.36 MPa，垂直方向上位移為1.97～2.48 mm。由此可知，采用分段落礦階段礦房采礦法對三礦房同時進行回采是安全可行的。

實際開采過程中，礦房內出礦后要及時對爆露的采空區進行充填，充填體可有效緩解礦柱的應力集中狀態，在一定程度上提高礦柱的整體穩定性，避免礦柱由于長時間暴露而發生屈服破壞。

圖4 三礦房同時開采時應力云圖

圖5 垂直方向位移

5 結 語

(1)為保證FLAC3D數值模擬的可靠性，需根據模擬礦山的實際情況合理選擇計算區域、選取巖體力學參數及其破壞準則、確定計算模型的邊界約束條件。

(2)從數值模擬結果判斷，該礦采用分段落礦階段礦房采礦法，對三礦房同時開采是安全可行的。

[1] 閆長斌，徐國元，李夕兵.爆破震動對采空區穩定性影響的FLAC3D分析[J].巖石力學與工程學報，2005,24(16)：2894-2899.

[2] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[4] 施建俊，孟海利.采場結構參數與回采順序的數值模擬優化研究[J].有色金屬:礦山部分,2005,57(2):9-11.

[5] 王新民,王長軍，張欽禮,等.基于ANSYS程序下的采場穩定性分析[J].金屬礦山，2008,386(8):17-20.

Research on the Stability of Surrounding Rock Mass with Multi-chambers Mining Together Based on FLAC3D

Xu Yongshan1Sun Zhongwen2Qu Yufeng1Gao Tao1Qu Junjian1

(1. Shandong Humon Smelting Co.,Ltd.; 2. Yantai Humon Group Co.,Ltd.)

The surrounding rock mass stress can be redistributed by orebody mining, the rock mass can be damaged and the ground pressure disasters can be caused under the conditions of the secondary stress is greater than the strength of the rock mass. The occurrence of ground pressure disasters are related to the lithology, stope structure parameters and stoping sequence, the difference of stoping sequence with difference regularity of underground pressure occurrence. Based on FLAC3Dnumerical simulation software, the stability of surrounding rocks under the conditions of multi-chambers mining is analyzed, and the good simulation effect is obtained.

Multi-chamber mining, Stability of surrounding rock mass, Sublevel caving chamber mining method

2015-04-29)

許永山(1976—)，男，部長，工程師，264100 山東省煙臺市牟平區北關大街628號。