孔學(xué)偉 徐培良 楊八九 者亞雷3

（1.云南錫業(yè)股份有限公司；2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司）

礦體在開采條件下引起的應(yīng)力二次分布以及礦巖移動變形規(guī)律都非常復(fù)雜，僅僅從理論方面對其進(jìn)行計算分析，很難客觀而全面地反映研究對象的變化過程，必須借助理論計算之外的其它研究手段［1-3］。計算機(jī)分析技術(shù)很好地解決了這個缺點(diǎn)，借助計算機(jī)模擬軟件能夠很好地監(jiān)測巖體在開挖過程中的應(yīng)力、位移以及其它一些物理量的變化過程。目前計算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也出現(xiàn)了很多的研究方法和模擬軟件，最具代表性的是FLAC3D有限差分法，其最大的特點(diǎn)在于注重對整個過程的分析，其三維計算結(jié)果包括應(yīng)力、位移等，給出的信息量非常大，特別適合用于模擬分析漸進(jìn)破壞、失穩(wěn)以及模擬大變形問題［4-5］。因此，本項目采用FLAC3D有限差分法，對I 號銅礦帶淺部不同開采階段圍巖應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行研究。

1 工程概況

某鐵礦I號銅礦帶賦存于700 m 標(biāo)高以上，保有地 質(zhì) 儲 量709.71 萬t，Cu 品 位0.58%，TFe 品 位19.57%，Cu 金屬量40 991.55 t。800 m 以上礦體相對較緩，傾角15°～25°；礦體厚度1.5～18 m，一般4～6 m，平均厚度4.9 m。主要采用全面法、房柱法及分段空場采礦法進(jìn)行開采。礦塊采取小分段大盤區(qū)沿走向布置，分段高20 m，盤區(qū)長100～200 m，盤區(qū)間留礦柱，礦柱寬10～12 m，盤區(qū)內(nèi)再根據(jù)礦體號不同及礦體是否連續(xù)等情況劃分為多個采場，每個采場再劃分為2～7 個礦房，礦房寬12～15 m。采場劃分以礦體間圍巖為界（間距8～25 m），采場礦房間留點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸5 m×5 m，間距8～12 m，礦房底部采用天井與上分段巷道接通，作為回采切割及通風(fēng)巷道。

經(jīng)過近7 a 的開采，820～880 m 分段已基本回采結(jié)束，不連續(xù)盤區(qū)各采空區(qū)體積之和約95.2 萬m3，采空區(qū)間有尺寸不等的間柱、點(diǎn)柱、頂、底柱及不同厚度的圍巖，部分采空區(qū)已貫通。目前，該銅礦帶800 m以下仍在持續(xù)生產(chǎn)，上部采空區(qū)的穩(wěn)定性評價及采空區(qū)對地表充填制備站的影響成為礦山目前亟待解決的問題。

2 宏觀巖體力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗、點(diǎn)荷載試驗的基礎(chǔ)上，采用普氏、RMR、Q系統(tǒng)3種巖體質(zhì)量分級方法，對某鐵礦I號銅礦帶各礦巖體質(zhì)量進(jìn)行了分級，認(rèn)為I號銅礦帶礦體、大理巖（頂板）屬于較堅固巖體，凝灰?guī)r（夾層）、底板屬于較堅固～堅固巖體［6-7］。

根據(jù)點(diǎn)荷載和室內(nèi)物理力學(xué)試驗結(jié)果及二者之間的相關(guān)性，采用Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則對巖體強(qiáng)度進(jìn)行折減，最終確定的礦巖體宏觀力學(xué)參數(shù)見表1［8-9］。

3 計算模型的建立

本次模型的建立采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行，主要研究I 號銅礦體開采后，采空區(qū)圍巖及地表的應(yīng)力、應(yīng)變顯現(xiàn)規(guī)律以及穩(wěn)定性問題。為礦山后續(xù)采空區(qū)治理提供技術(shù)支撐。

模型X方向為礦體走向方向，長度為1 200 m；Y方向為垂直礦體走向方向，長度為700 m；Z方向為豎直方向，模型底部標(biāo)高700 m，頂部標(biāo)高模擬礦山實際地形，由于地形較復(fù)雜，做了一定的簡化，建好的模型見圖1、圖2，模型共計577 170 個單元和554 320個節(jié)點(diǎn)。

計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點(diǎn)采用X、Y、Z3 個方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束。模型頂部為自由邊界。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 最大主應(yīng)力分布

從圖3可以看出，礦體開采880 m中段后，應(yīng)力最大值沒變，而最小值減小，說明礦體開挖后采空區(qū)圍巖應(yīng)力得到釋放，僅開挖880 m 中段時，礦柱上并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，礦柱應(yīng)力值降低，此時礦柱不會出現(xiàn)因為壓應(yīng)力而導(dǎo)致的破壞。礦體開采至860 m中段時，應(yīng)力最小值繼續(xù)降低，且應(yīng)力釋放區(qū)域范圍增大，此時應(yīng)力最大值由原來的11.5 MPa 增大到17.1 MPa，開挖至800 m中段時，礦柱上最大主應(yīng)力值增大到22.0 MPa，說明此時礦柱上有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，礦柱上的荷載增加，可能會導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)破壞，從不同中段礦柱最大主應(yīng)力趨勢圖（圖4）可以看，礦柱最大主應(yīng)力增長出現(xiàn)在840 m 中段，之后趨于平穩(wěn)。

4.2 最小主應(yīng)力分布

從圖5、圖6 可以看出，礦體未開采時，礦柱上應(yīng)力均為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，礦體開采后，各中段礦柱上不同程度的有拉應(yīng)力出現(xiàn)，拉應(yīng)力值最大的出現(xiàn)在840 m 中段，拉應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域最多的是860 m中段。對應(yīng)采空區(qū)復(fù)合平面圖后，出現(xiàn)較大拉應(yīng)力的 空 區(qū) 有880III301、860IV -2 切2、860IV08、860III201 -5、860III301 -2、860IVB3 -4、860V01、840V02、840IVA2 -1、840IVA2 -2、840III01 -6、840III04-1、840III04-2、840III04-3、840III04-4、840III04-5、820III02-5、820III02-6，且這18個采空區(qū)的最大拉應(yīng)力值均超出了巖體折減后的極限抗拉強(qiáng)度值，此時采空區(qū)穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)破壞。

4.3 位移分布

不同開采階段位移及位移趨勢（圖7）可以看出，當(dāng)?shù)V體開采至840 m 中段時，采空區(qū)圍巖整體位移增長最快，并且圍巖移動影響范圍也逐漸增大。礦體開挖完后，位移量最大區(qū)域出現(xiàn)在860 m 中段采空區(qū)上方，該區(qū)域的確定為礦山后期針對的治理提供了依據(jù)。

4.4 礦體開采結(jié)束對地表及充填制備站影響分析

依據(jù)礦體開采至800 m 標(biāo)高地表整體位移（圖9），將大于2 cm 的移動范圍進(jìn)行圈定后，畫出的地表移動影響范圍，礦體開采后地表有一定的沉降變形，最大位移量位于礦區(qū)A39～A40 剖線，充填制備站剖面最大位移值為3.9 cm，位移量較小，且充填制備站附近區(qū)域的圍巖并未出現(xiàn)移動變形，充填制備站位于地表移動影響范圍外。說明I 號銅礦體的開采對充填制備站不會造成影響。

5 結(jié)論

（1）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對某鐵礦I號銅礦帶淺部不同開采深度應(yīng)力、應(yīng)變、位移進(jìn)行科學(xué)分析，研究結(jié)論符合巖體力學(xué)的規(guī)律，在方法上是可行的。該方法形象直觀，能模擬不同開挖深度情況下礦巖體應(yīng)力礦柱及位移變化趨勢。

（2）從分析結(jié)果看，圍巖最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在840 m 中段，出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域最多的是860 m 中段，且有18個采空區(qū)最大拉應(yīng)力值超出了巖體折減后的極限抗拉強(qiáng)度值，此時采空區(qū)穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)破壞，該18 個區(qū)域的確定為礦山后期針對性治理提供了理論依據(jù)。

（3）確定了礦體開采后位移量最大位于礦區(qū)A39～A40 剖線，充填制備站附近區(qū)域的圍巖并未出現(xiàn)移動變形，充填制備站位于地表移動影響范圍外。說明I號銅礦體的開采對充填制備站不會造成影響。

（4）研究成果為該鐵礦采空區(qū)治理提供了理論依據(jù)，針對性的區(qū)域治理大大節(jié)約了成本。