某鐵礦間柱回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究*

婁廣文　胡　崴

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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某鐵礦間柱回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究*

婁廣文1,2,3胡崴1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

摘要利用FLAC3D軟件，對某鐵礦間柱回采過程進行數(shù)值模擬分析。通過對比不同寬度礦柱、礦房條件下采場頂板的最大主應(yīng)力、位移及其分布情況，判斷頂板的受力和穩(wěn)定情況。模擬結(jié)果表明，采用雙礦柱布置時，中間礦房頂板所受的拉應(yīng)力和位移都明顯大于兩側(cè)礦房，在生產(chǎn)實際中應(yīng)加強對中間礦房頂板的支護和監(jiān)測。在一定范圍內(nèi)，通過減小礦房寬度以及增加礦柱寬度可有效改善頂板的受力情況，減小垂直位移的產(chǎn)生，但隨著礦房寬度的繼續(xù)減小，頂板受力條件改善情況則明顯減弱，通過對不同方案對比分析，確定了合適的間柱回采方案，以指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞間柱頂板FLAC3D數(shù)值模擬穩(wěn)定性

某鐵礦體位于大理巖與閃長巖接觸帶，或其附近的大理巖內(nèi)，屬接觸交代矽卡巖型礦床，呈一大型透鏡體。礦體埋藏淺，58～162 m，由東北向西南逐步變厚，礦體沿大理巖床上下兩側(cè)大致呈水平狀，在閃長巖頂部界面隆起時，礦體呈半月形凸鏡體。整個礦體埋藏在走向方向,西高東低，上部被第四系、巖層覆蓋，一般厚40～75 m，頂?shù)装逯饕獮榇罄韼r和閃長巖，較薄。礦塊沿走向劃分，長50 m，間柱寬12 m。沿礦體傾向方向?qū)⒌V塊劃分為礦房和礦柱，寬度均為10 m。整個礦體分三步回采，一步回采礦房、礦柱，采用分段空場法回采，嗣后充填；二步回采間柱；三步在有條件的情況下適當(dāng)回采頂柱。

在礦山生產(chǎn)中，間柱作為采場傾向方向的垂直支撐體，承擔(dān)上部地層垂直方向的地壓，保證回采作業(yè)安全。目前礦房回采已接近尾聲，礦山計劃回采間柱，根據(jù)計算，間柱總礦量約為102.53萬t。本文通過數(shù)值模擬手段，對不同的間柱回采方案進行對比分析，確定最佳回采方案，在保證安全的前提下多采礦，提高資源利用率。

1模型建立及基本假設(shè)

根據(jù)間柱跨度、厚度以及回采高度建立三維模型，模型尺寸為600 m×100 m×100 m(長×寬×高)?；炯僭O(shè)如下：

(1)將礦體和圍巖均視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)[1]。

(2)由于礦山未進行原巖應(yīng)力測定，故此次計算原巖應(yīng)力時忽略構(gòu)造應(yīng)力，按照自重應(yīng)力計算[2]。

(3)對間柱模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?，假定礦房、礦柱均為矩形[3]。

(4)開挖過程一次性完成，不考慮時間效應(yīng)[4]。

2模型巖體參數(shù)的確定

通過巖石力學(xué)實驗，得到了相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)。但為了提高數(shù)值模擬的準確性與可靠性，需考慮節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的影響。因此，以巖石力學(xué)實驗提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對力學(xué)參數(shù)進行工程處理[5-6]，考慮了4種力學(xué)介質(zhì)：第四系表土層、上盤巖體大理巖、礦體、下盤巖體閃長巖，處理后的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　巖體物理力學(xué)參數(shù)

3模擬計算方案的確定

由于間柱垂直礦體走向，跨度較大，若全部回采有可能影響采場頂板的穩(wěn)定性，所以間柱回采時需要保留部分礦柱，以維持采場頂板的穩(wěn)定。數(shù)值模擬分析將從力學(xué)穩(wěn)定性角度優(yōu)化間柱回采時的礦房寬度及礦柱寬度。

受礦體分布及礦塊布置影響，間柱跨度變化較大，因此，對不同的跨度采用不同的模擬方案，對采場頂板以及礦柱的受力情況進行對比分析。預(yù)留礦柱采用單礦柱和雙礦柱2種方案。對于跨度不大的間柱采用單礦柱，對于跨度較大的間柱采用雙礦柱。本文僅對跨度較大的間柱回采進行模擬分析，即采用雙礦柱方案。間柱開采終了平面見圖1，模擬參數(shù)選擇見表2。

圖1　開采終了水平切平面

表2數(shù)值模擬計算方案

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4模擬計算結(jié)果及分析

3種不同參數(shù)的礦房開采后，頂板的最大主應(yīng)力分布特征見圖2?？芍?種方案條件下回采，采場頂板均受到一定的拉應(yīng)力，中間礦房頂板所受的拉應(yīng)力明顯大于兩側(cè)礦房，最大拉應(yīng)力位于中間礦房頂板中心位置。隨著礦柱寬度的增加以及礦房寬度的減小，最大拉應(yīng)力值逐漸減小，分別為1.84，1.51，1.37 MPa。

圖3為不同寬度礦房、礦柱條件下垂直位移等值線云圖。可以看出，采場頂?shù)装瀹a(chǎn)生了一定位移，位移方向均指向采場。3種不同方案頂?shù)装逦灰品植季哂邢嗤囊?guī)律，中間礦房的頂板位移明顯大于兩邊礦房，最大位移處位于中間礦房中心位置，幾乎布滿整個采場頂板。隨著礦柱寬度的增加以及礦房寬度的減小，頂板最大位移逐漸減??；底板位移分布大體相同，最大位移處位于底板中心位置，并向周圍遞減。

5結(jié)論

(1)礦房寬度分別為39，37，35 m時，最大主應(yīng)力分別為1.84，1.51，1.37 MPa，最大拉應(yīng)力值逐漸減小，減小幅度也明顯減小，說明在一定范圍內(nèi)，減小礦房寬度能有效改善頂板的受力情況，隨著礦房寬度繼續(xù)減小，頂板受力條件改善情況則明顯減弱。

圖2　不同寬度礦房、礦柱條件下最大主應(yīng)力等值線云圖

圖3　不同寬度礦房、礦柱條件下垂直位移等值線云圖

(2)礦房寬度為39m時，頂板受到的最大拉應(yīng)力值為1.84MPa，接近頂板巖體的抗拉強度1.89MPa，由于數(shù)值模擬未將采礦作業(yè)所帶來的采場擾動考慮在內(nèi)，因此，為保障采場頂板安全穩(wěn)定，建議采用方案Ⅱ，即礦柱寬15m,礦房寬37m。

(3)根據(jù)對最大主應(yīng)力以及垂直位移分析可知，中間礦房頂板為最大拉應(yīng)力及最大位移集中區(qū)域，采場頂板穩(wěn)定性狀況相對兩邊礦房較差，在實際生產(chǎn)中應(yīng)加強對中間礦房頂板的支護和監(jiān)測。

參考文獻

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[5]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：水利水電出版社，2009.

[6]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：水利水電出版社，2011.

(收稿日期2015-11-09)

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2011BAB07B01)。

婁廣文(1971—)，男，工程師,243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。