大紅山銅礦深部采場(chǎng)隔層厚度優(yōu)化及其穩(wěn)定性分析

董家平　趙艷偉

摘要：為合理確定礦房上下兩層之間合理的隔層厚度，以確保采場(chǎng)的穩(wěn)定性，采用三維有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D，結(jié)合工程實(shí)際，建立了7種隔層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算分析表明，采場(chǎng)穩(wěn)定安全系數(shù)在礦房跨度36m時(shí)隨隔層厚度的減小而降低，隔層厚度為14m時(shí)為臨界隔層厚度，同時(shí)得出，在回采后，及時(shí)的進(jìn)行充填可以提高采場(chǎng)的安全系數(shù)，且生產(chǎn)時(shí)若留一個(gè)采空區(qū)，其余采空區(qū)采后及時(shí)充填，隔層厚度控制在10m到14m間可使采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。研究的結(jié)果可以為相關(guān)實(shí)例提供一定的理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：采場(chǎng)的穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；安全系數(shù)；采空區(qū)

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山開(kāi)采的規(guī)模也越來(lái)越大，隨之遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)應(yīng)力條件，采場(chǎng)穩(wěn)定性是影響礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素之一。采場(chǎng)的失穩(wěn)是由于開(kāi)挖引起應(yīng)力的重新分布使得超過(guò)圍巖強(qiáng)度或引起圍巖過(guò)分變形所導(dǎo)致的。諸多相關(guān)學(xué)者針對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性這一重要課題做了相關(guān)研究。徐文彬等利用Voronoi圖法理論建立了不規(guī)則礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法以研究地下采場(chǎng)群穩(wěn)定性問(wèn)題，同時(shí)采用相關(guān)力學(xué)理論對(duì)充填法的礦柱進(jìn)行了研究：董金奎等H利用修正的Mathews穩(wěn)定圖法和臨界跨度設(shè)計(jì)法優(yōu)化了采場(chǎng)最大跨度和暴露面積尺寸：張欽禮等采用尖點(diǎn)突變模型對(duì)采場(chǎng)的頂板和礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析；楊宇江等采用強(qiáng)度折減法以分析地下采場(chǎng)穩(wěn)定性；高峰等采用模糊物元分析原理進(jìn)而構(gòu)造了復(fù)合模糊物元評(píng)價(jià)模型以分析地下采場(chǎng)穩(wěn)定性。

以上研究地下采場(chǎng)穩(wěn)定性主要采用數(shù)學(xué)法、力學(xué)法和圖形法等，而近年來(lái)隨著數(shù)值模擬軟件的發(fā)展和逐漸的成熟，數(shù)值模擬法也很好地應(yīng)用于地下采場(chǎng)穩(wěn)定性分析中，并取得了良好的效果。因此本文在基于三維有限元FLAC3D的基礎(chǔ)上對(duì)云南大紅山銅礦中深部銅鐵合采礦段的上部采空區(qū)與下部礦房間隔層厚度進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。

1三維模型的建立

1.1巖石力學(xué)參數(shù)和方案的選取

本次研究的范圍是大紅山銅礦中深部（435、385中段）銅鐵合采的礦段，礦區(qū)水平最大主應(yīng)力平均值為21.6MPa，水平最小主應(yīng)力13.7MPa，垂直應(yīng)力平均值為16.7MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?18.7°（SEE-NWW）。表l為巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)。同時(shí)為研究上部采空區(qū)與下部礦房間隔層穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了7個(gè)計(jì)算模型，每個(gè)模型在上部采空區(qū)充填條件下其余空區(qū)按所有空區(qū)不充填、充填一個(gè)空區(qū)、充填兩個(gè)空區(qū)和空區(qū)全部充填四種充填方案進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)28個(gè)方案，根據(jù)工程實(shí)際，礦柱寬度為10m，礦房寬度為36m，表2為模型設(shè)計(jì)方案。

1.2模型的建立

根據(jù)工程實(shí)際，本次模型的建立依據(jù)485中段已開(kāi)采并已充填后的典型隔層一采場(chǎng)模型，如圖1所示。基于地下工程開(kāi)挖空間對(duì)圍巖變形的影響，模型水平和上下邊界與硐室距離一般分別取2-3倍的硐室高度和寬度。本文在計(jì)算域的水平和垂直邊界上分別取2.3倍的礦房高度和2.2倍的礦房寬度。如圖2為隔層穩(wěn)定性分析典型計(jì)算模型。

2計(jì)算結(jié)果分析

為研究上部采空區(qū)與下部礦房間隔層穩(wěn)定性，以求出采場(chǎng)隔層合理厚度，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的7種隔層厚度28個(gè)方案模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過(guò)設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)采場(chǎng)采后各充填方案所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移變化特征進(jìn)行分析。圖3為監(jiān)控點(diǎn)的布置示意圖。

2.1穩(wěn)定性安全系數(shù)

通過(guò)模擬計(jì)算得出隔層厚度18m、16m、15m、14m、13m、12m、10m時(shí)隔層上部采空區(qū)充填條件下其余各采空區(qū)均不充填的采場(chǎng)及圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)等值云圖和等值線圖。從各安全系數(shù)等值分布圖可以看出，未充填空區(qū)中間采場(chǎng)頂板隔層安全系數(shù)最小，具體位置在隔層中最頂部巷道以下區(qū)域，且在各礦房頂板附近形成安全系數(shù)等值跡線拱，隨著離采場(chǎng)頂板愈遠(yuǎn)，安全系數(shù)逐漸增大，安全系數(shù)跡線拱也隨之變大，最終在采空區(qū)頂部形成多個(gè)更大的聯(lián)合跡線拱，像多孔拱橋一樣，盤區(qū)礦柱如橋墩一樣起支撐作用。在礦房側(cè)壁中間，安全系數(shù)較小，但最小值較同礦房頂板安全系數(shù)值大。采場(chǎng)穩(wěn)定安全系數(shù)在礦房跨度36m時(shí)隨隔層厚度的變化而變化，當(dāng)隔層為18m時(shí)，頂板中央安全系數(shù)最小值在1.0以上，此時(shí)的隔層處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)隔層厚度降為14m時(shí)，最小安全系數(shù)小于1.0，且隨著隔層厚度的不斷減小，安全系數(shù)逐漸降低，因此可初步認(rèn)為36m礦房跨度時(shí)14m隔層厚度為臨界隔層厚度。隨著下部采空區(qū)的充填，采場(chǎng)及圍巖不安全區(qū)域的分布圖得到改善，說(shuō)明采后空區(qū)的及時(shí)充填能大大提高頂板、礦柱及周邊圍巖的穩(wěn)定性。由于篇幅所限，僅給出臨界值隔層厚度14m時(shí)的上部采空區(qū)充填條件下其余各采空區(qū)均不充填的采場(chǎng)及圍巖穩(wěn)定性安全系數(shù)等值云圖和等值線圖，如圖4所示。

2.2主應(yīng)力特征分析

圖5為不同隔層厚度除上部空區(qū)充填外其余空區(qū)均不充填條件下，最大主應(yīng)力分布和主應(yīng)力差變化規(guī)律。可以看出，監(jiān)控點(diǎn)1'05隨著隔層厚度的不斷減小，最大主應(yīng)力先不斷增加，到14m隔層厚度后，最大主應(yīng)力值為1.6211MPa，然后急劇降低，P04也在14m是一個(gè)過(guò)渡段，這是由于巖石破壞后導(dǎo)致強(qiáng)度降低的原因，此與穩(wěn)定性安全系數(shù)分析結(jié)果一致。

2.3位移特征分析

礦山的開(kāi)采必然要引起圍巖的變形與位移，圖6為不同隔層厚度的各監(jiān)控點(diǎn)的位移變化規(guī)律曲線，計(jì)算結(jié)果顯示，隔層厚度越小，一般頂板的位移也越小，但在下部中間空區(qū)右上角隅處卻剛好相反。

2.4充填效果分析

由穩(wěn)定性安全系數(shù)分析知14m隔層厚度為臨界隔層厚度，本文限于篇幅，僅給出隔層厚度為14m時(shí)各充填方案的頂板監(jiān)控點(diǎn)位移下沉變化規(guī)律，如圖7所示。圖8為充填前后隔層厚度與監(jiān)控點(diǎn)安全系數(shù)變化規(guī)律曲線。

從各圖可以看出，隨著采空區(qū)充填工程的不斷進(jìn)行，頂板各監(jiān)控點(diǎn)的下沉位移逐漸減小，中間空區(qū)的P04監(jiān)控點(diǎn)由下部空區(qū)均未充填的17.091cm降為均充填下沉位移時(shí)的4.3075cm，減少位移下沉量近14cm。P04監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)在隔層厚度14m時(shí)為1.0，并隨著隔層厚度的減小而減小，但每當(dāng)完成一個(gè)空區(qū)的充填，各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)均有所提高。當(dāng)完成一個(gè)空區(qū)的充填后P04變?yōu)?.2429，完成兩個(gè)空區(qū)后則變?yōu)?.6497，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1.5的安全系數(shù)，而此時(shí)的P06和P08都在1.5以下，即直接頂板目前仍未完全處于穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)所有空區(qū)均充填完成后，各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)都在1.8以上。故不難得出，生產(chǎn)時(shí)如果只留一個(gè)空區(qū)，其余空區(qū)采后及時(shí)充填，隔層厚度可控制在10m到14m間，采場(chǎng)基本會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，充填對(duì)礦柱的位移變化影響較大，礦柱兩側(cè)空區(qū)充填前，礦柱頂部右側(cè)位移較明顯，但底部卻向左側(cè)發(fā)展，形成一傾倒趨勢(shì)，當(dāng)空區(qū)僅部分充填時(shí)，緊鄰空區(qū)的礦柱底部位移增大明顯，這主要是由于充填體的側(cè)壓作用所致。

3結(jié)論

在臨界穩(wěn)定礦房跨度為36m的一定條件下，分別按18m、16m、15m、14m、13m、12m、10m隔層厚度在隔層上部采空區(qū)充填條件下其余各采空區(qū)依次充填情況進(jìn)行模擬，研究的主要成果如下：

①未充填空區(qū)中間采場(chǎng)頂板隔層安全系數(shù)最小，具體位置在隔層中最頂部巷道以下區(qū)域，且在各礦房頂板附近形成安全系數(shù)等值跡線拱，隨著離采場(chǎng)頂板愈遠(yuǎn)，安全系數(shù)逐漸增大，安全系數(shù)跡線拱也隨之變大，最終在采空區(qū)頂部形成多個(gè)更大的聯(lián)合跡線拱，盤區(qū)礦柱像橋墩起支撐作用。在礦房側(cè)壁中間，安全系數(shù)較小，但最小值較同礦房頂板安全系數(shù)值大。采場(chǎng)穩(wěn)定安全系數(shù)在礦房跨度36m時(shí)隨隔層厚度的減小而降低，當(dāng)隔層為18m時(shí)，頂板中央安全系數(shù)最小值在1.0以上，此時(shí)的隔層處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)隔層厚度降為14m時(shí)，最小安全系數(shù)小于1.0，經(jīng)分析得出36m礦房跨度時(shí)14m隔層厚度為臨界隔層厚度。

②隨著隔層厚度的不斷減小，隔層間上部巷道以下區(qū)域的大主應(yīng)力先不斷增加，經(jīng)14m隔層厚度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，最大主應(yīng)力急劇降低，這是由于巖石破壞后導(dǎo)致強(qiáng)度降低的原因，此與穩(wěn)定性安全系數(shù)分析結(jié)果一致。

③頂板位移隨著隔層的厚度增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但在下部中間空區(qū)右上角隅處的卻剛好相反。

④隨著采空區(qū)充填工程的不斷進(jìn)行，頂板各監(jiān)控點(diǎn)的下沉位移逐漸減小，各監(jiān)控點(diǎn)的安全系數(shù)也逐漸提高，在生產(chǎn)時(shí)如果只留一個(gè)空區(qū)，其余空區(qū)采后及時(shí)充填，隔層厚度可控制在10m到14m間，采場(chǎng)基本會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)充填對(duì)礦柱的位移變化影響較大，礦柱兩側(cè)空區(qū)充填前，礦柱頂部右側(cè)位移較明顯，但底部卻向左側(cè)發(fā)展，形成一傾倒趨勢(shì)，當(dāng)空區(qū)僅部分充填時(shí)，緊鄰空區(qū)的礦柱底部位移增大明顯，這主要是由于充填體的側(cè)壓作用所致隨著采空區(qū)的充填工程不斷進(jìn)行，頂板各監(jiān)控點(diǎn)的下沉位移逐漸減小。endprint