王 進(jìn)，王曉軍

（1.方圓（德安）礦業(yè)投資有限公司，江西 九江 330408；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

基于FLAC3D的房柱法采場(chǎng)人工礦柱參數(shù)優(yōu)化模擬

王 進(jìn)1，王曉軍2

（1.方圓（德安）礦業(yè)投資有限公司，江西 九江 330408；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

基于某礦的開(kāi)采現(xiàn)狀，根據(jù)采場(chǎng)頂板圍巖的應(yīng)力分布和破壞機(jī)理，得出不同開(kāi)采深度條件下的礦房寬度，根據(jù)覆載下充填體人工礦柱的力學(xué)分布特征，綜合考慮采場(chǎng)與礦柱的幾何特征、力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力場(chǎng)的變化等因素得出各中段合理礦柱寬度，并借助數(shù)值分析軟件FLAC3D分析人工礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)房柱法采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)分析結(jié)果最終確定出合理的人工礦柱合理參數(shù)。

FLAC3D；房柱采礦法；人工礦柱；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

0 引言

金屬礦床地下開(kāi)采中，當(dāng)?shù)V體傾角處于水平或緩傾斜時(shí)，一般選用房柱法開(kāi)采[1]。即在礦塊或采區(qū)內(nèi)礦房和礦柱交替布置，回采礦房時(shí)留連續(xù)的或間斷的規(guī)則礦柱以維護(hù)頂板巖層穩(wěn)定[2]。當(dāng)?shù)V體為貴重金屬礦時(shí)，一般采用人工礦柱代替原生礦柱，以減少礦石的損失[3]。

某礦山采用人工礦柱代替原生礦柱的房柱法進(jìn)行回采時(shí)，人工礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)多憑借經(jīng)驗(yàn)法確定，缺乏理論分析，致使部分人工礦柱間距過(guò)大出現(xiàn)采場(chǎng)頂板冒落，局部礦體無(wú)法回采；部分礦柱尺寸過(guò)大，增加了充填成本、降低了工作效率，影響礦山正常生產(chǎn)；部分人工礦柱尺寸過(guò)小，礦柱發(fā)生破壞導(dǎo)致相鄰兩礦房貫通形成一個(gè)大礦房，勢(shì)必造成采場(chǎng)大面積暴露，實(shí)際跨度過(guò)大而導(dǎo)致冒頂、坍塌破壞，而上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移，有可能引起其他礦柱的破壞而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，從而給礦山生產(chǎn)帶來(lái)巨大的安全隱患[4]。

鑒于此，本文在理論計(jì)算的前提下利用數(shù)值分析軟件FLAC3D分析采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)房柱法采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響[5]，分析不同尺寸的人工礦柱在回采過(guò)程中對(duì)上覆巖體的支護(hù)作用，驗(yàn)證所選結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理，并對(duì)下部中段采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

在-500 m中段開(kāi)拓工程完成后，面臨劃分采場(chǎng)，確定礦房礦柱合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的問(wèn)題，對(duì)于礦房的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要考慮礦房的跨度（由于礦房的高度為礦體的厚度），礦房的跨度越大，采場(chǎng)的生產(chǎn)能力越大，但其頂板的中間主應(yīng)力極易變成拉應(yīng)力造成頂板的拉伸破壞。因此采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是關(guān)系礦山安全、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的重要研究課題。

1.1 礦房寬度確定

劉松偉[6]在考慮頂板圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)情況下，綜合分析頂板上覆巖層壓力、巖體力學(xué)特征等與礦房跨度關(guān)系，得出房柱法礦房寬度確定的理論計(jì)算公式。

式中：b為礦房寬度，m；λ為側(cè)壓力系數(shù)，取0～1；γ為礦石的容重，t/m3；H為開(kāi)采（頂板距地表）深度，m；α1為頂板的許可抗拉強(qiáng)度，t/m2。

根據(jù)式（1），結(jié)合礦山實(shí)際情況及相關(guān)礦山資料，代入相關(guān)參數(shù)取值，得到圖1所示的礦房寬度與開(kāi)采深度的關(guān)系曲線。

由圖1曲線結(jié)合具體計(jì)算結(jié)果分析可得井下各中段礦房合理寬度，見(jiàn)表1。

圖1 礦房寬度與開(kāi)采深度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves of the stope width and mining depth

表1 井下各中段礦房合理寬度Tab.1 Reasonable width of stope in the middle section

1.2 礦柱寬度確定

對(duì)于人工礦柱的合理設(shè)計(jì)，在數(shù)學(xué)建模方面已經(jīng)做了很多的研究工作[7]，由于對(duì)充填人工礦柱作用的認(rèn)識(shí)不同，許多研究認(rèn)為人工礦柱的作用是承受采場(chǎng)地壓，設(shè)計(jì)時(shí)要求礦柱具有支撐圍巖的作用，因此，采用了傳統(tǒng)原生礦柱設(shè)計(jì)的方法，如面積承載理論來(lái)設(shè)計(jì)人工礦柱的尺寸[8]。這種設(shè)計(jì)往往使礦柱尺寸設(shè)計(jì)過(guò)大，并且深部回采，以這種方法計(jì)算得到的人工礦柱尺寸很不合理。所以，對(duì)人工礦柱的合理尺寸應(yīng)有新的計(jì)算方法。

取得的研究結(jié)論證明，礦體埋藏在600～800 m以下為深部開(kāi)采，進(jìn)入深部開(kāi)采后，承受高應(yīng)力的同時(shí)，開(kāi)采空間對(duì)周邊巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，加大了回采空間形成的塑性區(qū)。根據(jù)普氏地壓理論，深部回采時(shí)，開(kāi)采空間頂板上方較大的擾動(dòng)應(yīng)力重新分布后可形成一個(gè)拱形卸壓區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的巖體在高應(yīng)力作用下極易向塑性轉(zhuǎn)化。理論分析與開(kāi)采實(shí)踐表明，如果相鄰兩個(gè)開(kāi)采空間之間的礦柱因屈服而出現(xiàn)大的壓縮變形，則其上部頂板巖層也將隨之出現(xiàn)大的下沉。那么，發(fā)展到一定程度時(shí)，兩個(gè)相鄰空間上方原來(lái)較小的免壓拱便有可能漸趨合并，從而在屈服礦柱的上方形成一個(gè)大的免壓拱。而人工礦柱由于其彈性模量遠(yuǎn)小于原生礦柱，所以，礦柱一旦承載將出現(xiàn)較大的壓縮變形，隨之頂板下沉使原來(lái)被礦柱分隔的礦房頂板上方較小的免壓拱漸趨合并，在整個(gè)開(kāi)采空間上方形成較大的免壓拱[9]。

由此可見(jiàn)，人工礦柱的承載機(jī)理主要是一種被動(dòng)讓壓的支護(hù)形式，其力學(xué)作用主要是防止采場(chǎng)圍巖的進(jìn)一步移動(dòng)，改善其受力狀態(tài)，同時(shí)提高其穩(wěn)定性，可以說(shuō)人工礦柱支撐的是采場(chǎng)免壓拱內(nèi)的松脫地壓，而非全部地壓。因此只要人工礦柱能承擔(dān)免壓拱塑性區(qū)范圍內(nèi)巖層的重量，就能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定而不破壞。

據(jù)此推得人工礦柱寬度的計(jì)算公式[10]：

式中：B為人工礦柱的寬度，m；H為開(kāi)采的深度，m；n為強(qiáng)度折減系數(shù)；c為巖體內(nèi)聚力，MPa；γ為圍巖的容重，t/m3；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）。L為開(kāi)采空間跨度，m；N為人工礦柱的個(gè)數(shù)；h為開(kāi)采空間高度，m；Sp為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試強(qiáng)度值，MPa；γ1為人工礦柱容重，t/m3。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得到各中段礦房合理寬度，代入公式（2）可以得到人工礦柱的寬度取值與礦柱承載力的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）。通過(guò)計(jì)算得出：該礦-500 m，-540 m，-580 m三個(gè)中段礦房合理寬度分別為 10 m，10 m，9 m。

圖2 人工礦柱寬度與礦柱承載力關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between the width of artificial pillar and the bearing capacity of pillar

經(jīng)測(cè)試，人工礦柱試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為4.7MPa，現(xiàn)場(chǎng)充填的人工礦柱由于賦存環(huán)境，施工工藝過(guò)程不同，必須進(jìn)行強(qiáng)度折減，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)取1.5，則人工礦柱在賦存環(huán)境中的極限抗壓強(qiáng)度為3.1MPa，在小于礦柱極限抗壓強(qiáng)度的前提下，充分考慮安全因素，對(duì)應(yīng)圖2曲線得到各中段人工礦柱的合理寬度分別為 6 m，6 m，4.5 m，如表 2。

表2 深部中段人工礦柱寬度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation table of artificial pillar width in deep middle section

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬

2.1 模型基本假設(shè)

為研究某礦深部采場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)，分析理論設(shè)計(jì)參數(shù)下各中段礦體回采過(guò)程對(duì)整體穩(wěn)定性的影響，計(jì)算范圍主要包括-500 m、-540 m和-580 m三個(gè)中段，計(jì)算過(guò)程依據(jù)從上往下每個(gè)中段依次回采，其中-460 m以上中段基本回采完畢，后期回采礦體中段高度為40 m，回采方式為先回采礦柱后對(duì)開(kāi)挖空間進(jìn)行塊石膠結(jié)充填，然后回采礦房[11]。

為便于模型的建立和計(jì)算，研究采用簡(jiǎn)化程序和條件假設(shè)。

（1）為簡(jiǎn)化模型，只考慮礦柱、礦房的回采以及礦柱充填等過(guò)程，雖然房柱采礦法中存在豎井、階段運(yùn)輸巷道以及人行井、穿脈等掘進(jìn)工程，但這些工程對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響較小，因此在建模過(guò)程中將其忽略。

（2）模型中巖體和充填體均視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。

（3）僅考慮地應(yīng)力及重力對(duì)模型的影響，忽略地下水、爆破沖擊波、地震波等因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

（4）計(jì)算范圍內(nèi)沒(méi)有大斷層，忽略礦體與圍巖中裂隙、結(jié)構(gòu)面的存在與影響。

（5）模型中礦體傾角與厚度都取平均值，礦體傾角為30°，礦體的平均厚度為6 m。

2.2 計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

在巖石地下工程中，為確定合理邊界，一般取開(kāi)挖空間半徑的3～5倍區(qū)域作為研究范圍；為得出深部礦體回采礦柱與圍巖的實(shí)際受力狀態(tài)與變形規(guī)律，利用FLAC3D軟件建立三維幾何模型，根據(jù)該礦山實(shí)際情況，假設(shè)沿礦體走向?yàn)閤方向，垂直礦體走向?yàn)閥方向，鉛垂線方向?yàn)閦方向。整個(gè)模型規(guī)格X×Y×Z為 1 200 m×1 000 m×1 000 m，其中礦體層厚度為6 m，并根據(jù)巖體力學(xué)特性的不同，建立上盤(pán)圍巖模型和下盤(pán)圍巖模型。

FLAC3D軟件是一種有限元模擬軟件，能夠很好地模擬巖體中的斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)，對(duì)礦山實(shí)際回采情況的模擬相對(duì)較為準(zhǔn)確，對(duì)礦山的開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義，本次礦體網(wǎng)格單元尺寸精度為4，礦體上盤(pán)圍巖網(wǎng)格單元尺寸精度由內(nèi)向外分為4、12、20，礦體上盤(pán)圍巖網(wǎng)格單元尺寸精度由內(nèi)向外分為 8、12、20，一共生成 119 063 個(gè)節(jié)點(diǎn)，686 723個(gè)單元[12]。網(wǎng)格劃分采用漸變模式，核心部位的劃分最密，在重點(diǎn)研究區(qū)域，采用均勻劃分網(wǎng)格的方式。如圖3、圖4所示。

圖3 礦體網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh diagram of ore body

圖4 整體網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Integral mesh graph

由于模型的頂部有390 m的上覆巖層，故在模型頂部施加均布載荷，載荷大小依據(jù)巖體自重進(jìn)行計(jì)算。具體材料力學(xué)參數(shù)參照見(jiàn)表3。

表3 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of the ore rock and backfill

2.3 模擬結(jié)果及其分析

由于人工礦柱作為關(guān)鍵的承載部位更容易發(fā)生破壞，同時(shí)作為人工礦柱的塊石充填體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于礦巖體強(qiáng)度。因此此次模擬結(jié)果主要分析深部采場(chǎng)回采過(guò)后人工礦柱的變形情況及塑性區(qū)分布情況，從而分析了理論設(shè)計(jì)的人工礦柱尺寸是否合理。

圖5分別是-500 m、-540 m和-580 m三個(gè)中段的人工礦柱回采模擬模型，對(duì)比三個(gè)中段人工礦柱剪切屈服區(qū)域的面積，可以發(fā)現(xiàn)，-580m呈現(xiàn)剪切屈服的面積最大，-540 m次之，-500 m最小，因此，隨著深部礦體的回采，人工礦柱承受的剪切應(yīng)力在逐漸增大。

圖5 深部中段人工礦柱回采后塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone after artificial pillar extraction in deep middle section

結(jié)合塑性區(qū)分布圖可以看出并得出結(jié)論：隨著回采深度的增加，采場(chǎng)塑性區(qū)范圍并沒(méi)有出現(xiàn)很大的改變，僅人工礦柱呈現(xiàn)剪切屈服的區(qū)域面積在逐漸增大，但人工礦柱中沒(méi)有出現(xiàn)較大塑性破壞區(qū)，說(shuō)明深部礦段采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠較好地控制巖體拉伸塑性區(qū)的產(chǎn)生，以保證安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算得出：該礦-500 m，-540 m，-580 m三個(gè)中段礦房合理寬度分別為10 m，10 m，9 m；人工礦柱合理寬度分別為6 m，6 m，4.5 m。利用三維數(shù)值建模的方法建立了礦山總體各中段數(shù)值模型，并對(duì)各中段礦柱回采—礦柱充填—礦房回采這一實(shí)際過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理安全，深部各中段設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能保障采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性。故該人工礦柱合理寬度計(jì)算方法對(duì)采用類似采礦方法開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取具有一定的參考意義。

[1] 解世俊.金屬礦床地下開(kāi)采[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2] 王慶軍，孫國(guó)飛，張軍勝，等.礦柱置換技術(shù)在金鳳公司的應(yīng)用[J].黃金，2009，30（7）：27-32.WANG Qingjun，SUN Guofei，ZHANG Junsheng，et al.Application of ore pillarre placement technology in Jinfeng gold company[J].Gold，2009，30（7）：27-32.

[3] 高向東.人工礦柱置換礦石礦柱的安全性分析 [J].化工礦物與加工，2011，40（6）：37-39.GAO Xiangdong.Safety analysis of replacing ore pillar with artificial pillar[J].Industrial Minerals and Processing，2011，40（6）：37-39.

[4] 趙 奎，胡慧明，王曉軍，等.某金礦房柱法采場(chǎng)人工礦柱參數(shù)選取[J].采礦技術(shù)，2011，11（2）：15-17.

[5] 任賀旭，李占金，劉志義，等.基于FLAC-3D人工假頂與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].化工礦物與加工，2016，45（4）：45-47.

[6] 劉松偉.普通房柱法礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及設(shè)計(jì)尺寸推薦[J].湖南有色金屬，2001，17（3）：4-7．LIU Songwei.Calculationamp;recommendation of design dimension of mine block structure main parameters involving normal room-pillar method[J].Hunan Nonferrous Metals，2001，17（3）：4-7．

[7] 吳潔葵，袁梅芳，王 志，等.空?qǐng)鋈斯c(diǎn)柱替換原生礦柱回采技術(shù)及工藝[J].金屬礦山，2017（1）：1-5.WU Jiekui，YUAN Meifang，WANG Zhi，et al.Residual ore mining process by artificial point pillar instead of remnant ore pillar in goaf[J].Metal Mine，2017（1）：1-5.

[8] 王 宇，李 真，譚富生.基于FLAC～（3D)的空區(qū)下礦體回采隔離保安礦柱厚度研究 [J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2016，36（10）：103-108.

[9] 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[10] 王曉軍，馮 蕭，楊濤波，等.深部回采人工礦柱合理寬度計(jì)算及關(guān)鍵影響因素分析 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（1）：54-59.WANG Xiaojun，F(xiàn)ENG Xiao，YANG Taobo，et al.Reasonable width calculation and analysis of artificial pillar in deep mining[J].Journal of Miningamp;Safety Engineering，2012，29（1）：54-59.

[11] 許雅琦.復(fù)雜磷礦層房柱開(kāi)采采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析 [D].武漢：武漢工程大學(xué)，2016.XU Yaqi.Numerical simulation analysis of stope stability of room and pillar mining in complex phosphate rock[D].Wuhan：Wuhan Institute of Technology，2016.

[12]朱旭波.地下金屬礦巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.ZHU Xubo.Quality evaluation of underground metal mine and optimization of stope structural parameters[D].Changsha：Central South University，2012.

Parameter Optimization of Artificial Pillar in the Room and Pillar Method based on FLAC3D

WANG Jin1,WANG Xiaojun2
(1.FangYuan(Dean)Mining Investment Co.,Ltd.,Jiujiang 330408,Jiangxi,China;2.Faculty of Resource and Enviroment Engeering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Different mining depths under the conditions of the stope width were obtained on the basis of the stope stress distribution and failure mechanism of the surrounding rock.Then,the reasonable pillar width in the middle section is calculated in accordance with the mechanical distribution characteristics of the artificial pillars under the overburden and the geometric characteristics,mechanical properties and the variation of the original rock stress field.Numerical analysis software FLAC3Dis used to analyze the influence of the structural parameters of artificial pillar on the stability of stope with room and pillar method.According to the analysis results,reasonable parameters of artificial pillars are determined.

FLAC3D;room and pillar method;artificial pillar;stope structure parameters optimization

TD35；TD322+.1

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.006

2017-07-28

王 進(jìn)（1981-），男，安徽樅陽(yáng)人，工程師，主要從事采礦工藝研究和巖體穩(wěn)定性分析工作。

王曉軍（1979-），男，山西晉中人，副教授，主要從事采礦工藝研究和巖體穩(wěn)定性分析工作。

（編輯：劉新敏）