高興紅 操 帥 李同鵬3

（1.六安市安全生產(chǎn)監(jiān)察支隊(duì)；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

在進(jìn)行深部開(kāi)采時(shí)，尤其是在一些高地應(yīng)力和大規(guī)模開(kāi)采條件下，采場(chǎng)所承受的風(fēng)險(xiǎn)比一般情況下更高［1-2］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)崛起，數(shù)值模擬成為研究開(kāi)采方案優(yōu)化中重要的工具和方法。趙楊等［3］借助三維地質(zhì)模型軟件GOCAD建立了精細(xì)的礦體模型，在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中，綜合比較不同開(kāi)采方案對(duì)充填體、水平礦柱所產(chǎn)生的影響，從而選取最優(yōu)的開(kāi)采方案。于世波等［4］通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，探究圍巖變形控制中充填體的作用。吳順川等［5］以甘肅某礦為研究對(duì)象，利用有限差分法，研究回采過(guò)程中水平礦柱力學(xué)變化和響應(yīng)情況以及礦柱的沉降規(guī)律。

龍門(mén)山銅礦東部采區(qū)為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，因位于L23礦體最厚大部分，劃分了多個(gè)采場(chǎng)，其中部分采場(chǎng)已回采完畢未充填，形成一片較大面積的采空區(qū)，而與之相鄰的幾個(gè)采場(chǎng)開(kāi)采對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響不明確。對(duì)東采區(qū)E3北和E4采場(chǎng)提出5種充填回采方案，通過(guò)數(shù)值模擬手段，研究不同開(kāi)采方案的安全性，從而確定最優(yōu)回采方案。

1 礦山開(kāi)采條件

1.1 礦體構(gòu)造

龍門(mén)山銅礦位于安慶市懷寧縣月山鎮(zhèn)北西約1.5 km的鐵鋪嶺與小門(mén)山處，共有26個(gè)礦體，分別為L(zhǎng)1～L14、L16～L27，其中平衡表內(nèi)銅礦體17個(gè)，平衡表外銅礦體6個(gè)，單鐵礦體3個(gè)。L7、L23為主要礦體，L9為次要礦體，其他屬于小礦體。

礦體賦存于矽卡巖中，在111與121勘探線之間，沿走向具分叉現(xiàn)象，在084線以東膨脹。賦存標(biāo)高為-450～-603 m，其中-530 m水平處有延伸長(zhǎng)度約為200 m的較大規(guī)模礦體。

1.2 礦區(qū)巖土力學(xué)參數(shù)

對(duì)礦區(qū)巖石進(jìn)行取樣，制作標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并進(jìn)行各項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)，最終獲取巖樣的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

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1.3 礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀

如圖1所示，東部采區(qū)為L(zhǎng)23礦體最為厚大部分，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘▋刹襟E回采，劃分礦房和礦柱，寬度均為12 m，由于三～六采場(chǎng)礦體太厚，采場(chǎng)長(zhǎng)度太長(zhǎng)，在中間設(shè)置了一條寬度為12 m的隔離間柱，將三～六采場(chǎng)分成南北采場(chǎng)，總共劃分了E1、E2、E3南、E3北、E4南、E4北、E5南、E5北、E6南、E6北、E7和E8共12個(gè)采場(chǎng)，截止現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí)，E1、E2、E3南、E5、E6南已經(jīng)回采結(jié)束，E5北已經(jīng)進(jìn)行膠結(jié)充填，E5南和E6南正進(jìn)行膠結(jié)充填，E6北正進(jìn)行開(kāi)采，由于E1、E2和E3南未進(jìn)行充填，且連成一片，造成采空區(qū)面積過(guò)大，可能影響其他采場(chǎng)的安全。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 計(jì)算幾何模型

圖2為依據(jù)東部采場(chǎng)礦體及實(shí)測(cè)空區(qū)三維模型構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，不同的顏色代表采區(qū)或采空區(qū)。對(duì)空區(qū)三維模型做簡(jiǎn)化處理，以使計(jì)算速度加快。數(shù)值模型長(zhǎng)300 m，寬200 m，高200 m，模型Z向標(biāo)高為-610～-410 m。

礦體賦存矽卡巖中，本次數(shù)值模擬相關(guān)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

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2.2 巖體本構(gòu)模型及破壞準(zhǔn)則

摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型適用于在剪應(yīng)力作用下屈服的材料，其中剪應(yīng)力只取決于最大和最小主應(yīng)力，第二主應(yīng)力對(duì)屈服沒(méi)有影響，即認(rèn)為當(dāng)材料某區(qū)域的剪應(yīng)力達(dá)到某一特定值時(shí)，該區(qū)域就進(jìn)入屈服，通常用來(lái)模擬地下開(kāi)挖。本次模型采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力復(fù)合破壞準(zhǔn)則。

2.3 初始地應(yīng)力場(chǎng)及邊界條件

地下開(kāi)采引起的巖體應(yīng)力、位移變化是在原巖初始應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的，原巖應(yīng)力直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的可靠性。假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各向同性體，礦體模型頂部標(biāo)高為-410 m，地表處的最高標(biāo)高為50 m，故礦體頂板至地表高度差為460 m。因此需要在模型上部加載厚度為460 m的圍巖重力應(yīng)力場(chǎng)，經(jīng)計(jì)算加載量為13 MPa。

選取3個(gè)地應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，由淺至深依次為-530 m中段測(cè)點(diǎn)、-605 m中段測(cè)點(diǎn)、-680 m中段測(cè)點(diǎn)，由于同一水平面測(cè)點(diǎn)數(shù)偏少，故本次研究只能假定模型表面的地應(yīng)力大小是按深度等差分布，在各點(diǎn)與各點(diǎn)之間進(jìn)行應(yīng)力插值計(jì)算，則計(jì)算模型區(qū)域內(nèi)應(yīng)力梯度見(jiàn)表3。

注：ε1，ε2，ε3分別為3個(gè)主應(yīng)力分布梯度，MPa/m。

模型除上邊界外為自由面，其他邊界位移限制為零。

在表3的基礎(chǔ)上，采用應(yīng)力邊界法加載自重和構(gòu)造應(yīng)力，運(yùn)用分階段彈塑性求解，即采用自重及構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

由于E1、E2和E3南未進(jìn)行充填，連成一片造成采空區(qū)面積過(guò)大，需要分析空區(qū)對(duì)E3北、E4采場(chǎng)開(kāi)采造成的影響，在保證安全的前提下，盡可能多地回收該部分礦體。針對(duì)該目標(biāo)，制定了多種開(kāi)采方案，詳情見(jiàn)表4。

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分析L23東部采場(chǎng)采空區(qū)所承受的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及最大位移，以判定各方案的安全性優(yōu)劣。

3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

因篇幅有限，僅展示方案一模擬結(jié)果。從圖3中得知，L7空區(qū)頂板呈受拉狀態(tài)，因此最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大受力點(diǎn)位于L7空區(qū)頂板處，其拉應(yīng)力值達(dá)0.853 MPa，圍巖最大抗拉強(qiáng)度為0.918 MPa，其安全系數(shù)為1.076，易發(fā)生冒落破壞。L23東部采場(chǎng)空區(qū)主要張拉區(qū)域位于空區(qū)頂板，最大受力點(diǎn)位于E3N與E4N采場(chǎng)空區(qū)中央部位，其拉應(yīng)力值達(dá)到0.6 MPa，小于圍巖最大抗拉強(qiáng)度0.918 MPa（根據(jù)FLAC3D軟件對(duì)應(yīng)力的方向規(guī)定，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力）。

表5為各方案L7空區(qū)頂板受力情況統(tǒng)計(jì)，各方案對(duì)L7空區(qū)及周邊受力狀態(tài)與開(kāi)挖前當(dāng)前狀態(tài)一致，說(shuō)明該方案在L23東部采場(chǎng)的開(kāi)挖因距離L7空區(qū)較遠(yuǎn)，并沒(méi)有影響到L7空區(qū)及周邊受力狀態(tài)。

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3.1.2 最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4為計(jì)算完畢后方案一部分標(biāo)高所受最小主應(yīng)力云圖。從圖4中可以看出，采場(chǎng)及空區(qū)周邊一般承受壓應(yīng)力，因此最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，受力點(diǎn)一般位于L7空區(qū)的東部和南部，L23東部采場(chǎng)的西部和北部，且在這2個(gè)區(qū)域之間的隔離間柱處相接。當(dāng)前狀態(tài)下，L23東部采場(chǎng)周邊圍巖最大壓應(yīng)力值約為24.7 MPa，小于抗壓強(qiáng)度。

模擬結(jié)果得出，方案一至方案五所受壓應(yīng)力分別為24.7，24.62，24.51，24.56，24.60 MPa，位置均處于L7空區(qū)的東部和南部、L23東部采場(chǎng)的西部和北部。根據(jù)對(duì)各方案最小主應(yīng)力的比較，各方案L23東部采場(chǎng)周邊最小主應(yīng)力相差不大，且均較小于最大抗壓強(qiáng)度。

3.2 Z向位移計(jì)算結(jié)果

圖5為方案一計(jì)算完畢后Z向位移云圖，其中正值代表向上，負(fù)值代表向下。由圖5中可知，空區(qū)頂板為位移方向向下，底板為位移方向向上，最大向下位移處位于采場(chǎng)空區(qū)與充填體交界處，達(dá)到36.42 cm。

方案一至方案五所發(fā)生最大位移值分別為36.42，36.42，36.37，47.50，36.42 cm，最大位移均為采場(chǎng)空區(qū)與充填體交界處。根據(jù)對(duì)各方案下沉位移的比較，除了方案四外，各方案L23東部采場(chǎng)周邊最大Z向位移值相差不大。

3.3 方案比較分析

各方案詳細(xì)的最大拉應(yīng)力值及張拉范圍面積比較見(jiàn)表6。

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從安全角度考慮，根據(jù)空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力值、平面范圍大小及抗拉安全系數(shù)進(jìn)行方案排序，可以得到各方案優(yōu)劣：方案一＞方案三＞方案四＞方案五＞方案二。

從其他方面考慮，各方案優(yōu)劣對(duì)比情況如下：

（1）方案一因充填所有采空區(qū)，所以采空區(qū)頂板所受拉力值最小，所受張拉面積也最小，采空區(qū)的安全系數(shù)最高。

（2）方案二則因不充填采空區(qū)，使得空區(qū)頂板暴露，最大受拉應(yīng)力平面范圍突增至736 m2，所受拉應(yīng)力值也最大，為0.8 MPa，并且位于隔離礦柱北部E4南空區(qū)中部處接近極限抗拉強(qiáng)度0.9 MPa，頂板易發(fā)生大面積張拉破壞，不安全，不予考慮。

（3）方案三、四、五皆為采場(chǎng)內(nèi)留設(shè)礦柱及回采后部分膠結(jié)充填方案。方案三與方案四比較相似，其中方案四需要充填E4北采場(chǎng)空區(qū)，但結(jié)果顯示兩方案隔離礦柱南部及北部空區(qū)頂板所受拉應(yīng)力及拉應(yīng)力平面范圍相差不大，安全系數(shù)均大于1.3，且方案四要求E4北采場(chǎng)膠結(jié)充填，使得成本較大，所以方案三優(yōu)于方案四。

（4）方案五與方案三在隔離礦柱南部空區(qū)處理方案相同，均在E4南采場(chǎng)中央留設(shè)礦柱，因此南部的拉應(yīng)力與方案三幾乎相同。但在隔離礦柱北部空區(qū)處理上有所不同，于E3北北部留設(shè)礦柱，方案三未在E3北中央留設(shè)礦柱，所以方案三在隔離礦柱北部無(wú)應(yīng)力集中點(diǎn)，而方案五北部空區(qū)存在一個(gè)拉應(yīng)力集中點(diǎn)，其值約為0.65 MPa，相比較于最大抗拉強(qiáng)度0.918 MPa，北部的安全系數(shù)為1.41。方案五的安全性低于方案三，但方案五留設(shè)的北部礦柱礦量低于方案三留設(shè)的中央礦柱礦量，所以方案五要優(yōu)于方案三。

根據(jù)上述比較，方案二代表的不充填采空區(qū)方案雖然成本最低，但最為危險(xiǎn)，易發(fā)生冒頂事故。方案三、四、五代表的采場(chǎng)內(nèi)留設(shè)礦柱，回采后部分膠結(jié)充填采空區(qū)方案，說(shuō)明留設(shè)礦柱能夠一定程度提高安全性，回采成本也相應(yīng)較為合適。根據(jù)不同留設(shè)礦柱充填方案，使得空區(qū)頂板受力情況不同，本文中方案五的留設(shè)礦柱量較低，回采的礦石量比其他2個(gè)方案高，且安全系數(shù)只是稍低，屬于這一類(lèi)方案中最優(yōu)解。方案一代表的膠結(jié)充填所有采空區(qū)最為安全，但是成本也是最高的。

4 結(jié) 論

（1）將現(xiàn)有采空區(qū)全部膠結(jié)充填方案最為安全，且采空區(qū)采取膠結(jié)充填治理后有利于隔離礦柱的回收，但是成本也最高。

（2）現(xiàn)有采空區(qū)暫不處理，采場(chǎng)內(nèi)留設(shè)礦柱及回采后部分膠結(jié)充填方案雖然安全性低于膠結(jié)充填所有采空區(qū)的方案，但是回采成本更低，并且根據(jù)留設(shè)礦柱方案不同，安全系數(shù)也不同，可結(jié)合其他條件具體選擇最優(yōu)方案。