黃 敏，唐紹輝，吳亞斌

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

1 工程概況

目前某礦山殘礦回采對(duì)象主要為采場(chǎng)頂?shù)字?、四周為充填體的礦柱采場(chǎng)以及零星礦體。Ⅲ號(hào)礦體盤區(qū)上盤殘礦地段是矽卡巖含銅鐵礦石的殘采采場(chǎng)，采場(chǎng)面積約500 m2，礦石品位較高，具有極大的回收價(jià)值。

殘礦回收應(yīng)確?；夭傻陌踩?，并制定切實(shí)可行的技術(shù)方案，而礦山通常依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定回采方式，具有一定的模糊性，而定量的數(shù)值模擬研究方式無(wú)疑是省時(shí)省力的研究工具，它能夠較好的研究巖土體開挖后的力學(xué)特性，并得出較滿意的結(jié)果，可作為設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)依據(jù)[1-2]。盤區(qū)上盤殘礦回收主要研究在預(yù)留點(diǎn)柱的情況下，分層開挖及充填過(guò)程中的穩(wěn)定性及其上盤殘礦回采可留設(shè)的最小頂板厚度。由于盤區(qū)上盤殘采采場(chǎng)的上下盤一側(cè)完全暴露在充填體下，其暴露面積所占總面積的比例比盤區(qū)下盤還要大，整體穩(wěn)定性較差，根據(jù)礦山對(duì)盤區(qū)下盤采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究成果[3-4]，并結(jié)合殘礦分布特點(diǎn)，決定在盤區(qū)上盤殘采采場(chǎng)之間預(yù)留3個(gè)點(diǎn)柱，尺寸為4 m×5 m，點(diǎn)柱間距控制在8 m之內(nèi)。

2 數(shù)值模型

根據(jù)礦山實(shí)際情況，為綜合考慮殘礦回采過(guò)程中對(duì)周圍圍巖及充填體所引起的擾動(dòng)效應(yīng)，數(shù)值模擬選取三維地質(zhì)模型尺寸為X×Y×Z=100 m×160 m×70 m。殘礦礦體上盤為充填體和矽卡巖，厚30 m，；下盤為充填體，厚30 m，；殘礦礦體厚10 m，同一水平沿y方向?yàn)槲◣r，遠(yuǎn)離y方向?yàn)槌涮铙w，盤區(qū)上盤殘礦地段埋深為185 m。建立好的FLAC3D單元體模型見圖1。

圖1 FLAC3D單元體模型

3 初始應(yīng)力平衡

為了生成初始應(yīng)力場(chǎng)，分析時(shí)只考慮重力作用，選取重力加速度為9.8 m/s2，方向垂直向下，選用莫爾—庫(kù)侖(Mohr—Coulo mb)模型，并賦材料力學(xué)參數(shù)(見表1)，邊界條件如下：

(1) 模型頂部為自由面，施加5 MPa的上覆巖層自重應(yīng)力；

(2) 模型前后和左右邊界施加水平約束，即模型邊界水平的速度為0；

(3) 模型底部采用固定端約束。

模擬計(jì)算過(guò)程中采用分階段的彈塑性求解方法求解，以最大不平衡力作為收斂條件，盤區(qū)上盤殘礦的初始應(yīng)力場(chǎng)見圖2。初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算總共經(jīng)歷11253個(gè)時(shí)步；最大不平衡力隨著時(shí)步的迭代呈現(xiàn)一直減小的趨勢(shì)，最后趨于平衡；垂直方向的應(yīng)力隨著深度而逐漸增大，最大值為8.08 MPa，方向向下。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖2 FLAC3D模型初始應(yīng)力等值線圖

4 分層開挖及充填模擬

殘礦礦體厚10 m，根據(jù)礦山實(shí)際情況，擬采用上向水平分層充填采礦，以3 m為一分層，具體回采步驟如下：

(1) 從殘礦底部向上采3 m，回采第一分層，控頂高度為3 m；

(2) 回采第二分層，采高3 m，控頂高度總共為6 m；

(3) 充填第一分層，回采第三分層。由于第三分層的回采接近頂部充填體，回采過(guò)程將會(huì)不同程度地揭露或破壞充填體，可能使頂部充填體發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。為最大限度地回收礦產(chǎn)資源，確?；夭傻陌踩裕枰玫降谌謱踊夭傻淖罴迅叨?，因此分以下3種情形進(jìn)行數(shù)值模擬：采高為3 m，頂板厚度為1 m；采高為2 m，頂板厚度為2 m；采高為1 m，頂板厚度為3 m。

5 模擬結(jié)果及分析

盤區(qū)上盤礦巖初始應(yīng)力場(chǎng)生成之后，對(duì)初始應(yīng)力計(jì)算生成的位移場(chǎng)、進(jìn)度場(chǎng)進(jìn)行清零，然后按照回采模擬方案對(duì)殘礦采場(chǎng)每一分層一次性進(jìn)行開挖或充填，各方案開挖結(jié)果見圖3～圖4。

圖4 第三步(頂板厚度h=1 m)開挖數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)模擬可以得到各分層在開挖過(guò)程中的垂向位移和主應(yīng)力情況，對(duì)各分層的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表2。

表2 分層開挖過(guò)程中數(shù)值模擬結(jié)果

利用FLAC3D軟件進(jìn)行巖土體開挖數(shù)值模擬計(jì)算后，通常從應(yīng)力、應(yīng)變方面對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析：

(1) 位移場(chǎng)分析。通常過(guò)量的位移將導(dǎo)致頂板的冒落和礦柱的跨塌，由模擬結(jié)果可知，最大位移主要分布在靠近充填體一側(cè)的頂柱及附近區(qū)域，并且頂柱最大位移隨分層回采過(guò)程的進(jìn)行逐漸增大。對(duì)比第三步回采的3種開挖方式，可以看出在同一步回采過(guò)程中采高越大，位移變化量越大，減小采高可以防止過(guò)量的位移。本次模擬采高定為3 m，沒(méi)有引起位移的突變，因而從位移角度來(lái)說(shuō)，3 m的采高可以接受。

(2)應(yīng)力場(chǎng)分析。各個(gè)分層的最大壓應(yīng)力主要分布在礦柱上以及上盤圍巖與礦體頂柱的接觸角點(diǎn)處。隨著分層回采的進(jìn)行，最大壓應(yīng)力的變化比較小，而且最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖體的抗壓強(qiáng)度，這也進(jìn)一步說(shuō)明巖體是一種“不抗拉材料”，一般不會(huì)首先發(fā)生壓縮破壞。

巖層的破壞形式主要為拉伸破壞和剪切破壞。頂板所受的拉應(yīng)力將是影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素。根據(jù)模擬結(jié)果可知，最大拉應(yīng)力主要分布在采場(chǎng)頂板及礦柱與下盤圍巖的接觸面上。采場(chǎng)開挖以后，巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，在采場(chǎng)周圍出現(xiàn)位移變形和松動(dòng)區(qū)，對(duì)于頂板的最大拉應(yīng)力，先從靠近充填體一側(cè)的頂板出現(xiàn)，一直向頂板的另一側(cè)延伸。由最大拉應(yīng)力可以看出在回采過(guò)程中巖體主要表現(xiàn)出以下兩個(gè)規(guī)律：

(1) 盤區(qū)上盤殘礦采場(chǎng)在第一分層和第二分層回采過(guò)程中，所受的最大拉應(yīng)力值都比較大，分別為1.99 MPa和2.13 MPa，接近殘礦的極限抗拉強(qiáng)度2.18 MPa；

(2) 在第三分層回采過(guò)程中，采高為1 m和2 m，即頂板厚度分別為3 m和2 m時(shí)，最大拉應(yīng)力分別為1.97 MPa和2.02 MPa，相對(duì)第一分層和第二分層，其最大拉應(yīng)力沒(méi)有繼續(xù)增大，而是得到了一定程度的緩解，這主要是由于第三分層回采之前對(duì)第一分層進(jìn)行了充填，充填體具有一定的固結(jié)作用，緩解了應(yīng)力場(chǎng)的集中程度；而采高為3 m，即頂板厚度為1 m時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.94 MPa，相對(duì)第一分層和第二分層，拉應(yīng)力突然得到釋放，頂柱有可能發(fā)生破壞。

各分層回采過(guò)程中都有部分單元處于塑性屈服狀態(tài)，屈服區(qū)域主要發(fā)生在頂柱上。第一分層回采結(jié)束后，塑性屈服區(qū)域主要發(fā)生在靠近充填體一側(cè)的頂柱上；第二分層回采結(jié)束后，屈服區(qū)域從靠近充填體一側(cè)向另一側(cè)擴(kuò)展；對(duì)于第三分層回采，當(dāng)頂板厚度為3 m和2 m時(shí)，頂柱產(chǎn)生了大面積的塑性屈服區(qū)域，但并沒(méi)有貫通，頂柱不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)；而當(dāng)頂板厚度為1 m時(shí)，頂柱產(chǎn)生的塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通現(xiàn)象，因而頂板厚度為1 m時(shí)頂柱發(fā)生了失穩(wěn)，這將導(dǎo)致殘礦上部充填體發(fā)生大面積的冒落，對(duì)殘礦安全回采造成很大的威脅。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果綜合分析可知，當(dāng)盤區(qū)上盤采場(chǎng)預(yù)留點(diǎn)柱時(shí)，分層回采過(guò)程中最大拉應(yīng)力接近礦體的極限抗拉強(qiáng)度，而且塑性屈服區(qū)域隨著分層回采的進(jìn)行而不斷增大，若頂板在長(zhǎng)時(shí)間暴露情況下或者采場(chǎng)在爆破震動(dòng)等外界因素的影響下都很難保持自穩(wěn)，所以必須在回采過(guò)程中采取一定的安全措施，尤其是對(duì)靠近充填體一側(cè)的頂板要進(jìn)行安全支護(hù)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，即使沒(méi)有外界因素的影響，當(dāng)頂板厚度為1 m時(shí)，頂板自身就會(huì)失穩(wěn)，因此建議最后一個(gè)分層頂板厚度至少要預(yù)留2 m。

6 結(jié) 論

用數(shù)值模擬方法研究了某礦盤區(qū)上盤殘礦回采的頂板安全厚度。在模擬過(guò)程中，通過(guò)ANSYS軟件建立三維計(jì)算模型，然后運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行模擬開挖計(jì)算，不同方案的開挖模擬所引起的礦體和圍巖應(yīng)力、應(yīng)變情況下進(jìn)行綜合分析，得出最合理的頂板安全厚度，主要結(jié)論為：

(1)盤區(qū)上盤殘礦在第三分層回采過(guò)程中，頂板厚度為1 m時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.94 MPa，相對(duì)第一分層和第二分層，拉應(yīng)力突然得到釋放，頂柱將發(fā)生破壞。

(2)為保證安全，盤區(qū)上盤殘礦回采最佳頂柱安全厚度為2 m。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭文斌．FLAC3D實(shí)用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]陳育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M]．北京：中國(guó)水利水電社出版社，2009.

[3]黃 敏．銅綠山礦充值體下殘礦回采關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012：1-93.

[4]黃 敏，孫 磊，崔 松，等．銅綠山礦-245 m中段盤區(qū)殘礦回收采礦方法試驗(yàn)研究[R]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011：1-121.

[5]陳小康．露天坑下殘礦回收安全控制技術(shù)研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010：1-76．