大型深埋硬巖礦山回采優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

祝方才 劉丙肖 楊承祥

(1.湖南工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，湖南 株洲 412007；2.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司，安徽 銅陵 244001)

大型深埋硬巖礦山回采優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

祝方才1劉丙肖1楊承祥2

(1.湖南工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，湖南 株洲 412007；2.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司，安徽 銅陵 244001)

隨著地下資源大規(guī)模開發(fā)，大型深埋硬巖礦山回采穩(wěn)定性逐漸得到重視。結(jié)合某礦山可行性研究，通過前期基礎(chǔ)性地質(zhì)勘查，取得了礦區(qū)原巖應(yīng)力和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上利用FLAC軟件進(jìn)行空區(qū)(群)穩(wěn)定數(shù)值模擬。選擇最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、塑性區(qū)面積、拉破壞區(qū)面積和關(guān)鍵點(diǎn)位移作為判別指標(biāo)，考慮地下空區(qū)開挖過程，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了考慮不同穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)情況下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對于采場穩(wěn)定性影響，得出了最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過綜合分析得出了供設(shè)計(jì)參考的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

空區(qū)(群) 穩(wěn)定性 塑性區(qū)面積 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨著資源開發(fā)、水電建設(shè)和交通工程的進(jìn)行，地下空間/洞室(以下簡稱洞室)逐步得到開發(fā)和利用。很多資源開采工程和部分交通水電洞室工程等有較大的埋深，深埋條件下洞室穩(wěn)定性特別是洞室群的穩(wěn)定性逐漸引起重視，大型洞室群的失穩(wěn)甚至?xí)?dǎo)致大規(guī)模地壓的發(fā)生，盤古山鎢礦就曾出現(xiàn)過大規(guī)模的地壓活動。因此大型水電地下洞室、地下采場和有多個(gè)通道大型地下交通設(shè)施的穩(wěn)定與否對于其施工安全和運(yùn)營具有重要意義。

1 地下洞室穩(wěn)定分析理論

目前對于洞室穩(wěn)定分析較多的方法是基于圍巖破壞區(qū)面積、關(guān)鍵點(diǎn)位移等來研究洞室穩(wěn)定發(fā)展規(guī)律，對于有明顯穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)面的洞室則采用關(guān)鍵塊體理論[1]和錯(cuò)動帶理論進(jìn)行研究。洞室圍巖一般處于二向或三向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖雖已進(jìn)入塑性狀態(tài)或拉破壞，但仍有一定的承載能力，有學(xué)者據(jù)此提出破壞接近指數(shù)[2](FAI)的概念。圍巖破損增加伴隨著圍巖變形(位移)，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，將出現(xiàn)松動圈，根據(jù)圍巖位移變化特征和松動圈范圍[3]的變化可推斷圍巖穩(wěn)定發(fā)展趨勢。破損區(qū)、松動圈、圍巖位移等指標(biāo)在一定程度上反映圍巖穩(wěn)定性，為綜合考慮各指標(biāo)對穩(wěn)定影響，有研究提出了基于加權(quán)方法[4]的綜合指標(biāo)判別法。若將處于地應(yīng)力場中的巖體視作一信息體，將穩(wěn)定看作圍巖的熵變化，即信息熵[5-6]，有學(xué)者引入了突變理論，通過構(gòu)建分叉方程來判斷是否出現(xiàn)整體失穩(wěn)。另外一種直觀判斷洞室整體失穩(wěn)的方式是洞室圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)并貫通[7]，深埋洞室群破壞方式更為多樣[8]，分析時(shí)除了考慮單一洞室的穩(wěn)定之外，還應(yīng)考慮各洞室施工過程及各洞室的相互影響。江權(quán)等[9]通過分析每個(gè)洞室的圍巖應(yīng)力和變形發(fā)展,研究破損區(qū)范圍和能量釋放特征等參數(shù)來綜合分析洞室群穩(wěn)定性，塑性區(qū)整體貫通[7]也作為一種判別穩(wěn)定方法應(yīng)用到洞室群整體穩(wěn)定中。為進(jìn)一步研究洞室群穩(wěn)定演化機(jī)制，李仲奎等[10]利用微型機(jī)器人在真三軸條件下進(jìn)行模擬開挖，并研究了攝像和測試方法；朱維申等[11]進(jìn)行了大比例尺模型試驗(yàn)，并利用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。隨著回采的進(jìn)行，深埋硬巖礦山采空區(qū)影響范圍將逐漸發(fā)展，形成巨大的地下空區(qū)群，即使采用充填采礦法，由于充填體與原巖之間的物理力學(xué)性質(zhì)的巨大差別，也會引起采礦方面的專家重視。本研究結(jié)合某金屬礦山可行性研究，對回采穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 地下洞室穩(wěn)定數(shù)值分析

2.1 工程概況

某礦床地層巖性較復(fù)雜，構(gòu)造裂隙發(fā)育，風(fēng)化帶厚度較大，礦體埋藏深度及延深較大。礦體及頂?shù)装鍑鷰r為塊狀和層狀巖類，巖石堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)面以Ⅳ級為主，巖體質(zhì)量整體較好。根據(jù)開采技術(shù)條件和礦體的賦存狀態(tài)，可選用的采礦方法有崩落法和大直徑深孔階段空場嗣后充填法。由于部分低品位的礦體留待以后開采和地表不允許大面積陷落，不易用崩落法，故選用大直徑深孔階段空場嗣后充填法。

采礦方法選用大直徑深孔階段空場嗣后充填法后，可供選擇的采礦方案有2個(gè)：①一步驟回采方案，留永久礦柱(盤區(qū)間柱和采區(qū)間柱)，全尾砂或廢石嗣后充填采場；②兩步驟回采方案，即一步驟回采礦柱，采用尾砂膠結(jié)充填，二步驟回采礦房，采用尾砂充填。本研究選用第1種方案，模擬-820 m中段回采。選取-820 m水平附近測點(diǎn)結(jié)果作為本次數(shù)值模擬試驗(yàn)原巖應(yīng)力值，地應(yīng)力σ1=34.42 MPa，σ2=27.12 MPa，σ3=23.86 MPa，最小主應(yīng)力接近豎直方向，最大水平主應(yīng)力接近東西方向。通過現(xiàn)場實(shí)測，并經(jīng)過工程折減，得出巖體和充填體參數(shù)如表1所示。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的確定及模型建立

在洞室(群)穩(wěn)定分析中，關(guān)鍵在于選擇合理的評價(jià)指標(biāo)和具體實(shí)施方法。如前所述，目前反映洞室穩(wěn)定性的主要力學(xué)變量有位移、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力等指標(biāo)，對于松動區(qū)范圍由于目前認(rèn)識上的不足，還較少采用。在本研究中，為充分反映在施工過程中，空區(qū)群穩(wěn)定發(fā)展情況，采用最大塑性區(qū)面積、拉破壞面積、最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最大位移5個(gè)參數(shù)來分析，采場布置如圖1所示。為比較不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對穩(wěn)定性影響，取礦柱寬度、采場長寬和盤區(qū)間柱寬度這4個(gè)指標(biāo)作為關(guān)鍵參數(shù)，為減少工作量，采場高度取為階段高度120 m。根據(jù)相關(guān)要求，在進(jìn)入達(dá)產(chǎn)期后，要求2個(gè)采場同時(shí)出礦，根據(jù)采場及礦柱尺寸布置采場如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇如表2所示的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 折減后礦體和直接頂?shù)装鍑鷰r的巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 采場布置

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合

在考慮多采場時(shí)，一般應(yīng)研究不同回采順序下采場穩(wěn)定性，具體研究方法有動態(tài)規(guī)劃法等，由于采場數(shù)不固定，難以直接采用該方法。本文根據(jù)常見的回采順序，采用隔一采一的方式來編排回采順序，得出回采過程中的各穩(wěn)定評價(jià)參數(shù)。采用正交試驗(yàn)分析采場結(jié)構(gòu)各參數(shù)對穩(wěn)定指標(biāo)影響，如表3所示。

計(jì)算采用FLAC3D進(jìn)行，采用空單元進(jìn)行開挖過程模擬，實(shí)體單元模擬充填，地應(yīng)力場預(yù)先施加，生成的網(wǎng)格如圖2所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于計(jì)算范圍大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)長較長，計(jì)算數(shù)據(jù)量大，為客觀反映采場穩(wěn)定情況。取采空采場和臨近采場作為統(tǒng)計(jì)值研究點(diǎn)，分析這2個(gè)采場的塑性區(qū)面積、拉破壞面積、最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力，沿著采空采場中線做水平、縱向和橫向3個(gè)切面，判斷最大位移，在此基礎(chǔ)上，對方案優(yōu)劣進(jìn)行分析，選擇極差最小值為最優(yōu)水平，并根據(jù)各相對大小確定各因素的影響程度，計(jì)算結(jié)果及基于極差分析的方案優(yōu)選分析表如表4所示。

表4 基于塑性區(qū)面積的方案優(yōu)選

優(yōu)選方案及相應(yīng)各因素水平僅列出了基于塑性區(qū)面積的結(jié)果，對于基于拉破壞區(qū)面積、最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和最大位移的分析表限于篇幅不一一列出，最終得到結(jié)果如下。按塑性區(qū)面積：采場寬度>礦柱寬度>采場長度>盤區(qū)間柱寬度。按拉伸區(qū)面積：采場寬度>礦柱寬度>采場長度>盤區(qū)間柱寬度。按最大位移：盤區(qū)間柱寬度>采場長度>采場寬度=礦柱寬度。按最大拉應(yīng)力：采場長度>采場寬度>盤區(qū)間柱寬度>礦柱寬度。按最大壓應(yīng)力：采場長度>永久礦柱寬度>采場寬度>間柱寬度。

對應(yīng)的優(yōu)選方案如表5所示。

表5 各種優(yōu)化目標(biāo)下的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表5可知，不同采場穩(wěn)定評價(jià)指標(biāo)情況下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選結(jié)果不一致，難以說明哪一種參數(shù)是最優(yōu)值。一般來說塑性區(qū)面積、最大位移和最大拉應(yīng)力對采場穩(wěn)定性影響較大，這3種情況下采場寬度影響較大，其次是礦柱寬度、采場長度和盤區(qū)間柱寬度，考慮到礦山資源利用和穩(wěn)定性，盤區(qū)間柱沿礦體走向布置，推薦選取的采場參數(shù)為：永久礦柱寬15 m，采場寬40 m，采場長70 m，盤區(qū)間柱寬15 m。通過與該礦技術(shù)人員進(jìn)行討論，為保障回收率不低于75%，并且考慮采場穩(wěn)定性，采場長軸大致沿水平最大地應(yīng)力方向，與礦體走向近似垂直，取盤區(qū)間柱寬度20 m，采場長度為80 m，采場寬度為40 m，采場礦柱為10～14 m。

4 結(jié) 論

利用FLAC3D對某大型深埋硬巖礦山回采過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了影響采場穩(wěn)定的5個(gè)典型指標(biāo)在采場穩(wěn)定評價(jià)中的作用，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對各種指標(biāo)下最優(yōu)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明，采用不同評價(jià)指標(biāo)情況下各采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不完全一致，需要通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)加以判斷。另外如何合理確定回采順序有待進(jìn)一步研究。

[1] 毛海和，夏才初，張子新，等.塊體理論赤平解析法在龍灘水電站地下廠房洞室群穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(8)：1308-1314. Mao Haihe，Xia Caichu，Zhan Zixin，et al.Application of stereo-analytical method for block theory to the stability of Longtan Hydropower Station underground power-house [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005,24(8):1308-1314.

[2] Zhang C Q，Zhou H，F(xiàn)eng X T.An index for estimating the stability of brittle surrounding rock mass：FAI and its engineering application [J].Rock Mechanics & Rock Engineering，2011，44(4)：401-414.

[3] 肖 明，張雨霆，陳俊濤，等.地下洞室開挖爆破圍巖松動圈的數(shù)值分析計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2010，31(8)：2613-2618. Xiao Ming，Zhang Yuting，Chen Juntao，et al.Numerical analysis of excavation damaged zone of underground caverns induced by excavation blasting [J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(8):2613-2618.

[4] 蘇國韶.高地應(yīng)力下大型地下洞室群穩(wěn)定性分析與智能優(yōu)化研究[D].武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2006. Su Guoshao.Study on Stability Analysis and Intelligent Optimization for Large Underground Caverns under High Geostress Condition[D].Wuhan:Institute of Rock & Soil Mechanics，The Chinese Academy of Sciences，2006.

[5] 趙 瑜，盧義玉，康 勇.隧道圍巖卸荷演化過程的 Kolmogorov熵分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32(9)：1006-1010. Zhao Yu，Lu Yiyu ，Kang Yong.Kolmogorov entropy analysis of surrounding rock system in the processing of unloading for deep-buried tunnels[J].Journal of Chongqing University：Natural Science，2009，32(9):1006-1010.

[6] 許傳華，任青文.圍巖穩(wěn)定分析的熵突變準(zhǔn)則研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(3)：437-440. Xu Chuanhua，Ren Qingwen.Criterion of entropy catastrophe of stability of surrounding rock[J].Rock and Soil Mechanics，2004，25(3):437-440.

[7] 張雨霆，肖 明，陳俊濤.地震作用下地下洞室群整體安全系數(shù)計(jì)算與震后加固效果評價(jià)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2010，42(5)：217-223. Zhang Yuting，Xiao Ming，Chen Juntao.The assessment of post-earthquake reinforcement measures and the calculation of safety factor for general stability of underground caverns under earthquake effect[J].Journal of Sichuan University:Engineering Science Edition，2010，42(5):217-223.

[8] 向天兵，馮夏庭，江 權(quán)，等.大型洞室群圍巖破壞模式的動態(tài)識別與調(diào)控[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(5)：871-883. Xiang Tianbing，F(xiàn)eng Xiating，Jiang Quan，et al.Failure mode dynamic recognition and control for surrounding rock of large-scale cavern group[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(5):871-883.

[9] 江 權(quán)，馮夏庭，蘇國韶，等.高地應(yīng)力下拉西瓦水電站地下洞室群穩(wěn)定性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2010，29(5)：132-140. Jiang Quan，F(xiàn)eng Xiating，Su Guoshao，et al.Stability analysis of large underground caverns in Laxiwa Hydropower Plant under high crustal stress[J].Journal Of Hydroelectric Engineering，2010，29(5):132-140.

[10] 李仲奎，盧達(dá)溶，中山元，等.三維模型試驗(yàn)新技術(shù)及其在大型地下洞群研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(9)：1430-1436. Li Zhongkui，Lu Darong，Nakayama H，et al.Development and application of new technology for 3d geo-mechanics model test of large underground houses[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(9):1430-1436.

[11] Zhu W S，Zhang Q B，Zhu H H，et al.Large-scale geomechanical model testing of an underground cavern group in a true three-dimensional(3-D) stress state[J].Canadian Geotechnical Journal，2010，47：935-946.

(責(zé)任編輯 石海林)

Numerical Analysis of Stoping Optimization of Large-scale Deep-buried Stopes with Hard Rocks

Zhu Fangcai1Liu Bingxiao1Yang Chengxiang2

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering，HunanUniversityofTechnology，Zhuzhou412007，China;2.TonglingNonferrousMetalsGroupHoldingCo.，Ltd，Tongling244001，China)

With large-scale exploration of underground resources，stability of large-scale deep-buried stopes with hard rocks attracts more and more attention.Combined with the feasibility study on mining，and based on the primary-stage basic geological exploration，the stress of original rock in mining area and its physical and mechanical properties are achieved.On this basis，F(xiàn)LAC software is adopted to make the numerical simulation on stability of mined-out area(group).5 typical indexes are chosen to consider the excavation of underground mined-out area，including maximum tensile stress，maximum compressive stress，plastic zone area，tensile failure area and displacement of key position.With the orthogonal experiment design，the effect of stope structural parameters on the stope stability under different evaluation index is analyzed to obtain the optimal stope structural parameters.Through comprehensive analysis，the stope structural parameters for design reference are achieved.

Mined-out area(group)，Stability，Plastic zone area，Orthogonal experiment design

2014-05-21

湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：13JJ2033)。

祝方才(1972—)，男，教授，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-08-011-04