何 偉 肖益蓋

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

某礦山采空區(qū)數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析*

何 偉1,2,3肖益蓋1,2,3

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

某礦山設計開采中段高度50 m，經(jīng)過2 a多開采，形成了一定的采空區(qū)。為驗證該采空區(qū)的穩(wěn)定性，結合礦山地質(zhì)條件、礦巖特性和采礦工藝等，運用3DSigma軟件，采用三維有限元法對采空區(qū)穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，得出了應力、應變、安全率、塑性破壞域的變化情況。在此基礎上，采用解析法分別對圍巖自穩(wěn)能力、礦柱承載力進行分析評價，認為該采空區(qū)較穩(wěn)定，為確保礦山安全生產(chǎn)提供參考。

采空區(qū) 礦柱承載力 數(shù)值模擬 穩(wěn)定性

某礦山經(jīng)過2 a多開采，目前井下僅開采中西部礦體，垂直方向上僅開采-255，-305 m等2個中段，高100 m；開采形狀隨礦床形態(tài)的變化而變化，極其復雜，特別是-255 m中段西部礦體，夾石多且厚大；開采地點涌水較大，水壓較大；初期開采時間倉促，在充填等配套工藝不具備條件時進行回采，采空區(qū)無法及時充填或充填體的強度無法保障，礦柱片幫嚴重，為下一步回收礦柱留下了隱患。通過對井下采空區(qū)進行三維有限元分析和數(shù)值模擬，為確保采空區(qū)穩(wěn)定提供依據(jù)。

1 數(shù)值分析原理

本研究采用3DSigma軟件進行數(shù)值模擬，顧及巖體變形的非線性及其塑性屈服對應力-應變的影響，經(jīng)三維彈塑性有限元分析，將彈塑性模型總的變形分為彈性變形、塑性變形2個部分[1]。用胡克定律計算彈性變形，對塑性變形采用Mohr-Coulomb屈服準則[2-3]進行推導：

式中，σ1為最大主應力，kN；σ3為最小主應力，kN；φ為材料內(nèi)摩擦角，(°)；c為材料的黏結力，kN。

當fs<0時，材料將發(fā)生剪切破壞；材料達到屈服極限后，在穩(wěn)定的應力水平下產(chǎn)生塑性變形。在拉應力狀態(tài)下，若拉應力超過巖體的抗拉強度，巖體將發(fā)生拉伸破壞[1]。

2 數(shù)值模擬

2.1 約束條件及巖體力學參數(shù)

(1)材料約束。①礦巖體為連續(xù)、均質(zhì)的地質(zhì)體；②礦巖體為彈塑性材料。

(2)面約束。為限制剛體移動，在模型的4個側面即Z、X軸方向設置零位移約束；在模型底部Y軸方向設置零位移約束，上表面均勻施加5.06 MPa的載荷，表示承受-255 m以上覆巖的重量[4]。

(3)地質(zhì)條件約束。①在剖分單元格及定義礦巖體時已考慮大的斷層、構造和軟弱夾層，但在原巖應力場中略去構造應力的影響；②不考慮地下水影響，僅取重力場作為原巖應力場；③數(shù)值計算分析的準確性在于選擇的巖礦體基本力學參數(shù)是否合理。

本研究數(shù)值分析的巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體力學參數(shù)

2.2 模型構建

沿礦體走向在勘探線剖面圖基礎上生成三維立體模型所用的平面網(wǎng)格圖，中段高50 m，礦房、礦柱的寬度按大礦房、小礦柱設計。主要單元采用二維四邊形等參單元，局部單元經(jīng)計算機自動優(yōu)化后可退化為三角形單元。求解時取節(jié)點位移作為基本未知量，采用位移法自動求解，構建的模型見圖1。

圖1 中段高度50 m采場立體模型

2.3 礦房數(shù)值模擬分析

中段高度為50 m時，礦體開挖后數(shù)值模擬結果見圖2。由圖2可知：中段高度越大，第一主應力表現(xiàn)為壓應力集中，位于采空區(qū)水平頂板，壓應力集中的峰值為12.794 MPa，普遍低于圍巖的抗壓強度，圍巖一般不會因受壓而破壞；第三主應力表現(xiàn)為拉應力，位于采空區(qū)下盤銳角處，拉應力值峰值為47.637 MPa，普遍大于上盤圍巖的抗拉強度，該現(xiàn)象與采空區(qū)頂板暴露面積過大、采深過深密切相關。應力集中的部位與采空區(qū)形狀、礦體傾角等有關。

圖2 礦體開挖后應力等值線(單位：MPa)

X、Y軸方向應變數(shù)值模擬結果見圖3。由圖3可知：X軸向應變集中于采空區(qū)頂部，最大為0.016，指向采空區(qū)；Y軸向位移都出現(xiàn)于采空區(qū)水平頂板(頂柱)部位，最大為0.102，達到冒落的極限值，結合拉應力等值線圖可知，該處應該出現(xiàn)因拉伸破壞而冒落的情形，實際工作中可適當縮小采場跨度，減小頂板暴露面積，對控制水平位移具有一定的作用。

圖3 礦體開挖后應變等值線

礦體開挖后安全率等值線見圖4，開挖后破壞區(qū)域數(shù)值模擬結果見圖5。

圖4 礦體開挖后安全率等值線

圖5 礦體開挖后破壞域

由圖4可知：采空區(qū)上盤近礦圍巖及上盤上部50 m范圍內(nèi)，臨空圍巖的安全系數(shù)僅為1.1，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。整體上看，采空區(qū)所在區(qū)域不穩(wěn)定。

由圖5可知：50 m中段高度模型的破壞域出現(xiàn)于采空區(qū)上下盤及頂部，且塑性破壞域連通，破壞面積較大，說明-255 m中段開挖后，對-205 m 以上區(qū)域有一定的破壞作用。

3 礦柱及圍巖穩(wěn)定性評價

根據(jù)礦體賦存條件，采用分段空場法進行開采。沿礦體走向劃分為若干礦塊，設計礦塊長28 m，礦房和礦柱等寬，為14 m，礦塊寬度即為礦體厚度，高50 m。針對礦山地質(zhì)、礦巖特性、采礦工藝等具體條件，選用解析法分別對圍巖自穩(wěn)能力、礦柱承載力進行分析。

(1)圍巖自穩(wěn)能力。在礦體回采過程中，礦柱和采場頂板均為礦石，回采結束后，頂板巖石主要為蝕變閃長巖和矽卡巖，由于矽卡巖僅在局部地段存在，所以選擇蝕變閃長巖作為評估巖體，并以蝕變閃長巖的最低強度作為飽和單軸抗壓強度(109 MPa)，巖體完整程度為完整—較完整(Kv值為0.74)，則巖體質(zhì)量指標(BQ)值為564,考慮有地下水的影響，折減后的BQ值為535。

圍巖體的基本質(zhì)量級別為Ⅱ級，洞徑10～20 m，可穩(wěn)定數(shù)日到1個月。因此，對于開采厚度不大的礦體，圍巖的自穩(wěn)性較好，要求做好安全放礦工作；但在與蝕變閃長巖與矽卡巖的正接觸帶地段，回采過程中應注意防范發(fā)生冒頂事故。

(2)礦柱承載力。在礦山下部礦段開采礦柱承載力分析中，應將上部礦巖及土的自重作為地壓考慮，經(jīng)計算，礦柱承載力安全系數(shù)為1.78，較安全。

4 結 論

(1)中段高度為50 m時，若礦房較寬，塑性破壞域的面積過大，采空區(qū)可能發(fā)生較大范圍的冒落和塌陷。因此，礦房寬度、采空區(qū)暴露面積不宜過大。

(2)采場穩(wěn)定性分析表明，巖體質(zhì)量、圍巖自穩(wěn)能力較好，一般情況下，礦柱承載力安全系數(shù)大于1(較安全)，但遇到斷層、破碎帶時應留有足夠厚的保護礦柱。

[1] 王強志，高永濤，吳順川，等.基于綜合安全系數(shù)的強度折減法的改進[J].金屬礦山，2015(7)：43-47.

[2] 楊家冕，劉人恩，王 星.數(shù)值模擬在分層充填法采場參數(shù)選擇中的應用[J].金屬礦山，2013(3)：29-31.

[3] 張月征，紀洪廣，侯昭飛.基于莫爾-庫倫強度理論的巖石沖擊危險性判據(jù)[J].金屬礦山，2014(11)：138-142.

[4] 鐘 剛，韓方建.平水銅礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山，2004(3)：8-10.

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

2015-09-07)

何 偉(1983—),男，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。