徐 荃

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

基于FLAC3D對某金屬礦安全頂柱合理厚度的研究

徐 荃

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

為了確定礦山安全頂柱的合理厚度,在保證開采安全的情況下最大程度減少礦石損失量，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對某金屬礦地表風(fēng)塵沙保護頂柱合理厚度問題進行了研究，建立全礦體數(shù)值模擬模型，同時考慮礦體開采點柱布置形式，對10m到50m 5種頂柱厚度方案進行了數(shù)值模擬計算。通過對開采過程中地表巖層的位移場、應(yīng)力場的分析比較，結(jié)合頂板中礦石損失量，推薦保證安全開采條件下最為經(jīng)濟合理的頂柱厚度為20m。本研究對類似礦山的頂柱設(shè)計工作有一定的參考價值。

地表變形； 安全頂柱； 數(shù)值模擬； FLAC3D

1 前言

地表沉陷是地下礦山生產(chǎn)中常見的工程災(zāi)害之一，隨著社會環(huán)境要求的日益提高，礦產(chǎn)資源的日益緊缺，越來越多礦體賦存條件復(fù)雜、環(huán)境要求較高的礦山投入建設(shè)，其地表沉陷預(yù)測對于環(huán)境保護以及保證生產(chǎn)安全有著重要的意義[1～4]。對于某些“三下”礦體和露天與地下聯(lián)合開采工程，留存一定厚度的安全頂柱是保證安全開采的常見措施[5～7]。但是此類頂柱往往含有大量礦石，合理的頂柱厚度不僅能保證下部開采活動的安全，同時可最大程度減少礦石的損失，保證開采的經(jīng)濟效益。

某多金屬礦礦體部分出露地表，有大量風(fēng)積沙覆蓋，開采引起的地表沉陷可能引發(fā)風(fēng)積沙的失穩(wěn)，加之降水作用會對井下安全開采造成極大的威脅，本文對該礦山的安全頂柱厚度進行對比研究，推薦了一種合理的頂柱厚度，保證開采的安全性與經(jīng)濟性。

2 礦山概況

該多金屬礦為一銅、鎢、鉬共伴生的礦床，三者在空間上既有單礦種獨立礦體，又有多礦種共生礦體。銅、鎢、鉬礦礦化與特定層位的層狀矽卡巖和石英閃長巖密切相關(guān)。礦層空間分布上與層狀矽卡巖彼此相伴或共同依存，同受層間斷層控制；礦層均往北西傾斜，自東往西礦層傾角由小變大，但總體傾角≤45°；自南往北側(cè)伏。一般情況下，單礦層延長300～700m，控制延深150～700m。

礦體頂板圍巖為變質(zhì)粉砂巖、石榴子石層狀矽卡巖，局部為大理巖、長英質(zhì)角巖，底板為變質(zhì)粉砂巖、大理巖，局部為石英閃長巖等巖體。采礦方法為上向分層充填(點柱)采礦方法。

由于受特殊地形、氣候條件影響，礦區(qū)60%的面積被風(fēng)塵沙所覆蓋，風(fēng)塵沙一般30～100m厚，局部厚達130m以上。礦體分布部位未發(fā)現(xiàn)有滑坡崩塌現(xiàn)象。北礦區(qū)由于地形高峻，坡度大，受風(fēng)化作用影響，在2線附近的山坡上有零星滾落的孤石分布?？傮w來說礦區(qū)地表風(fēng)積沙厚度較大，機械施工振動、流水作用可能使風(fēng)積沙失穩(wěn)，對地下采礦的安全生產(chǎn)造成一定的威脅。

3 三維計算模型的建立

通過使用Datamine礦業(yè)軟件的相關(guān)礦體、地表模型數(shù)據(jù)，在FLAC3D5.0中建立礦體模型，整體模型沿走向長2 160m，垂直走向長2 520m，高度為海拔3 000m到地表，為全礦體模型，由上到下包含頂板、圍巖、礦體和礦柱，其中對包含礦體和礦柱部分的范圍定義為核心區(qū)域，單元體大小為4.5m×4.5m×3.75m，地表單元體大小為9m×9m×7.5m，圍巖區(qū)域單元體大小為32m×32m×30m，整個模型總計1 095 025個三維塊體單元，1 236 775個結(jié)點。計算模型如圖1，礦體模型如圖2，模型3 400m水平平面圖如圖3。

圖1 計算模型圖

圖2 礦體模型

圖3 3 400m水平平面圖

4 安全頂柱厚度及開采模擬方案

為了保護礦體上盤地表，防止風(fēng)塵沙覆蓋層對地下開采產(chǎn)生安全隱患，考慮在靠近風(fēng)塵沙的地表礦體上盤頂板處保留安全頂柱，其中礦體不進行回采，根據(jù)相關(guān)礦山生產(chǎn)經(jīng)驗，本次研究建立頂柱厚度分別為10、20、30、40、50m的5種數(shù)值模型方案，對整個礦山生產(chǎn)過程中地表應(yīng)力場和位移場變化情況進行對比分析。礦體剖面圖和5種厚度頂柱示意見圖4。

圖4 礦體縱剖面及5種頂柱方案示意圖

礦山設(shè)計選用上向分層充填(點柱)采礦方法，中段高度60m，分段高度15m，分層高度3m，長度100m，礦塊沿走向布置，點柱尺寸為4.5m×4.5m，間排距為15m。由于本次數(shù)值模擬過程主要驗證下部開采活動對地表的相關(guān)影響，所以根據(jù)礦體形態(tài)簡化回采、充填過程，每中段分4步開采回填，每次開采高度3.75m，長度為礦體走向長度，點柱尺寸為4.5m×4.5m，間排距為18m。礦山首采段為3 700、3 640、3 580m水平中段附近的厚大礦體，3個中段開采完后向上向下進行開采，每個中段由下到上進行回采隨后充填。所以本次數(shù)值模擬開采分以下步驟進行。

(1)計算在給定邊界力學(xué)與位移條件下模型的初始狀態(tài)。

(2)step1～step16由下到上分16步同時開采礦體中3 580、3 640、3 760m中段附近礦體，每一步充填上一步開挖區(qū)域。

(3)step16～step32由下到上分16步同時開采礦體中3 520、3 460、3 400m中段附近礦體，每一步充填上一步開挖區(qū)域。

(4)step32～step48由下到上分16步同時開采礦體中3 880、3 820、3 760m中段附近礦體，每一步充填上一步開挖區(qū)域。

5 礦巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬計算采用莫爾—庫侖(Mohr- Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞：

圖5 5種方案地表水平與沉降最大位移對比圖

(1)

式中：σ1、σ3——分別是最大和最小主應(yīng)力；

c、φ——分別是粘結(jié)力和摩擦角。

當fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗結(jié)果，考慮到巖體的尺度效應(yīng)，模擬計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體和充填體力學(xué)參數(shù)

6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過分析5種方案開采過程中安全頂柱中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在整個開采過程中，5種方案最大、最小主應(yīng)力值相差不大，最大主應(yīng)力極大值在18MPa左右，最小主應(yīng)力極大值在0.8～1.9MPa之間(隨開采步逐漸增加)。拉應(yīng)力區(qū)多分布在頂柱開采礦石區(qū)域附近，但是基本小于2MPa的巖石極限抗拉強度值，僅有局部地區(qū)會在開挖某一階段出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞塑性區(qū)。整體來講，5種方案中頂柱的厚度對地表應(yīng)力場的分布沒有明顯的影響。

圖5為不同厚度安全頂柱方案中不同開挖步下最大垂直與水平位移折線圖，圖中標示的數(shù)值為同一開采步下水平與垂直位移的最大、最小值。由圖5中曲線可知隨著開采過程的進行，每種方案垂直與水平位移都在不斷增加，在開采初期水平位移在開挖初始達到30mm左右后增長并不明顯，10m厚頂柱水平位移從30.8mm增加至49.4mm。而其垂直沉降值從5.7mm增加至69.6mm。地表最大位移變化出現(xiàn)在24～32開采步，主要是因為在這段時間內(nèi)開采的礦量相對其他時期較多，開采面積相對較大，隨著后期開采礦量的下降，其趨勢趨于平穩(wěn)。垂直方向沉降最大值最終為156.6mm，最大水平位移為148.7mm。無論是水平還是垂直方向位移，在同一開采步下，都隨安全頂柱的厚度增加而減小，這主要是不同方案中安全頂柱中礦石的回采造成的。不同厚度安全頂柱同一計算步下沉水平與垂直位移值相差不大，在20mm以內(nèi)，一方面是由于充填體很好地限制了采空區(qū)周圍巖體的變形，另一方面是由于礦體傾向與地表地勢傾向相差近180°，且靠近地表礦體屬于薄礦體，所以安全頂柱中賦存的礦石量相對較少。但是值得注意的是在第8至第32開采步過程中，10m厚安全頂柱模型中水平位移出現(xiàn)明顯增加，這主要是由于在這一過程中位于頂柱內(nèi)礦石回采量的增加影響到地表水平應(yīng)力場的分布，使其水平方向位移產(chǎn)生了較大影響，但是對于整個回采步中3個水平的礦石回采量又相對較小，使其在垂直方向影響并不明顯。

由于安全頂柱中含有一部分可回采礦石，留取不同厚度的安全頂柱決定了該部分礦石的損失量，由圖6安全頂柱厚度與礦石損失量和塑性區(qū)破壞比例關(guān)系圖可知，安全頂柱厚度由10m增加至50m時，頂柱內(nèi)礦石量由88 163.4m3增加到1 258 740.0m3，呈正比例增加，增長幅度隨厚度增加逐漸增加。由于更多礦石的回采使得位于地表相同區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)比例明顯增加，當安全頂柱厚度由10m增加到50m時，塑性破壞區(qū)比例由8.0%下降到4.0%，其中塑性破壞區(qū)包括整個開挖過程中出現(xiàn)的剪切破壞和拉伸破壞，可見即使頂柱厚度在10m時，整個頂板的塑性區(qū)破壞范圍也較小，處于較為安全的狀態(tài)，但是值得注意的是地表局部會出現(xiàn)塑性區(qū)的貫通，主要集中在Ⅱ號礦體頂部，計算模型y=1 245m、標高3 550m附近，礦體頂板至地表范圍內(nèi)，如圖7，在開采過程中需要對這些區(qū)域加以注意，采用必要的監(jiān)測措施進行動態(tài)監(jiān)測。

圖6 安全頂柱厚度與礦石損失量和塑性區(qū)破壞比例關(guān)系圖

圖7 開采結(jié)束垂直礦體走向剖面(y=1 245m)塑性區(qū)分布圖

通過對5種方案不同安全頂柱厚度下開采過程的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)進行對比分析可知，由于頂柱范圍內(nèi)礦石量較小，應(yīng)力場受安全頂柱厚度變化影響不大，而垂直與水平位移隨頂柱厚度的增加呈現(xiàn)反比例減小。除10m厚頂柱在開采中期水平位移出現(xiàn)明顯增大外，其余4種方案在整個開采過程中基本保持一定的有序增加。從頂柱內(nèi)礦量變化和塑性破壞區(qū)的變化來看，頂柱內(nèi)包含的礦石量越多，開采出的礦量越小，其塑性破壞區(qū)比例也相對較小。由于模擬中并未考慮實際巖體中的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，并在假設(shè)頂板地表巖性較為均一的情況下進行模擬，考慮到在保證回采安全的情況下，盡可能減少損失礦量，最終推薦20m為安全頂柱的最佳厚度。

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中要求，對地表的沉降變形主要考察傾斜、曲率及水平變形這3個允許值。其傾斜、曲率及水平變形的計算方法如下。

(1)

傾斜變形，即相鄰2點在豎直方向的相對移動量與水平距離的比值：

(2)

式中：im～m-1——地面m至m-1點間的傾斜；

Wm——地面m點的下沉值；

Lm～m-1——m至m-1點間的水平距離。

(2)曲率，即相鄰2點的傾斜值之差與兩線段中間點的水平距離的比值：

(3)

式中： Δim～m-1～m-2——m至m-1至m-2點間的平均斜率；

lm～m-1——地面m至m-1點間的水平距離。

(3)水平變形，即相鄰2點的水平移動差值和兩點間水平距離的比值：

(4)

式中：Um——路基或路面點m的水平移動值。

圖8 開采結(jié)束后礦區(qū)地表垂直位移等值線圖

采用20m厚安全頂柱方案，礦區(qū)開采后的地表沉降及水平位移分別見圖8、圖9。圖8中深色中心區(qū)域最大垂直沉降變形為155mm。最大地表傾斜變形約為0.382mm/m，圖9中深色中心區(qū)域最大水平位移量為75mm，最大地表水平變形約為0.13mm/m，最大曲率K=1.84×10-6/m，均未超過《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的“三下”采礦建、構(gòu)筑物位移、變形允許值。

圖9 開采結(jié)束后礦區(qū)地表水平位移等值線圖

7 結(jié)論

(1)通過使用FLAC3D5.0軟件對該礦山5種不同厚度的地表安全頂柱在整個礦山開采過程中的應(yīng)力場、應(yīng)變場、塑性破壞區(qū)進行系統(tǒng)的分析比較，得到20m厚度安全頂柱能夠保證生產(chǎn)過程中地表的穩(wěn)定性，避免風(fēng)塵沙造成安全隱患，同時相比其他厚度較大程度地減少礦石損失率，保證經(jīng)濟合理性。

(2)由于位于頂柱附近的礦石量較少，地表垂直沉降受其影響較小，主要由中部厚大礦體開采所決定，但是當開采接近地表10m左右時，地表的水平位移出現(xiàn)明顯變化，主要是由于靠近地表的礦體開采明顯影響了地表附近的水平應(yīng)力場，相對于垂直方向位移變化更明顯。

(3)本礦山使用充填法進行開采，采用20m厚頂柱開采結(jié)束時最大垂直位移量為155mm，最大水平位移量為75mm，經(jīng)過核算最大傾斜、水平變形和最大曲率均未超過《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的“三下”采礦建、構(gòu)筑物位移、變形允許值，說明選取的礦柱厚度安全合理。

[1] 徐 飛，石 立.“三下”開采膠結(jié)充填體強度對地表沉降的影響[J].金屬礦山，2016，(1)： 39-42．

[2] 周立強，周立財.基于MIDAS- GTS充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].中國礦山工程，2015，44(1)： 24-27.

[3] 祁建東，高永濤，韓浩亮.河流下伏采空區(qū)地表沉降規(guī)律及處治技術(shù)研究[J].金屬礦山，2015，(3)： 26-31.

[4] 周曉超，周 銘，李小武.緩傾斜礦體開采地表沉降模擬[J].金屬礦山，2015，(1)： 16-19.

[5] 林 超，胡福祥.高陡邊坡下露天地下聯(lián)合開采隔離頂柱合理厚度的研究[J].金屬礦山，2012，(1)： 51-54.

[6] 劉志義.三山島金礦新立礦區(qū)充填體下頂?shù)字_采穩(wěn)定性分析[D].長沙：中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，2014.

[7] 田 坤.多因素耦合作用下境界頂柱變形演化機制及其厚度優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，2012.

Study on the safe thickness of crown pillars based on FLAC3Din a polymetallic mine

In order to determine the reasonable thickness of mine safety crown pillars which can ensure the safety of mining under the condition of minimizing ore loss, the numeral simulation software(FLAC3D)was used to study the reasonable thickness of mine safety pillars. Established the whole orebody numerical simulation model, and considered the point pillars arrangement, five kinds of crown pillar thickness which is from 10m to 50m was simulated. Through the comparison and analysis of displacement field and the stress field of surface rock in mining, and the consideration of ore loss, a economic and rational pillar thickness which is 20m and can ensure the safe mining was recommended. This study provided a good reference to similar design work for other mines.

ground displacement; safety pillar; numerical simulation; FLAC3D

TD679

A

2017-03-30

徐 荃(1989-)，男，山東濟南人，碩士，工程師，從事采礦巖石力學(xué)研究工作。

1672-609X(2017)03-0015-05