大紅山銅礦膠結(jié)礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

阮中華　張?！↑S飛

摘要：在大紅山銅礦兩步驟連續(xù)開采過程中，膠結(jié)礦柱將代替原生礦柱服務(wù)相鄰礦房開采。基于二步驟回采過程的安全性以及穩(wěn)定性要求，需對一步驟膠結(jié)礦柱穩(wěn)定性分析研究。以385中段B12-20線區(qū)域為研究對象，通過FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：385中段B12-20線開采區(qū)域膠結(jié)礦柱能夠保證其自身穩(wěn)定性，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，為區(qū)段回采提供了安全可靠的作業(yè)環(huán)境。

Abstract： In the two-step continuous mining process of Dahongshan Copper Mine， cemented pillars will replace primary pillars to serve the mining of adjacent mine houses. In order to ensure the safety of the two-step mining process， it is necessary to study and analyze the stability of cemented pillars. Taking the B12-20 line mining area in the middle section of 385 as the research object， the numerical simulation research is carried out by FLAC3D software. The results show that the cemented pillar in the B12-20 line mining area in the middle section of 385 can ensure its own stability without instability and damage， thus providing a safe and reliable working environment for mining in the section.

關(guān)鍵詞：空場嗣后充填采礦法;膠結(jié)礦柱;穩(wěn)定性分析;數(shù)值模擬

Key words： open field subsequent filling method;cemented pillar;stability analysis;numerical simulation

中圖分類號：TD323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0206-05

0? 引言

眾所周知，我國有色金屬礦產(chǎn)資源具有貧礦多富礦少的分布特點，尤其是鐵、銅、鋁土、鉛、鋅、金等多為貧礦。以銅礦為例，我國品位大于1%的銅礦石占比不到30%，品位大于2%的僅約占6%。因此，開采低品位礦石將是我國礦業(yè)長期面臨的客觀現(xiàn)實。大紅山銅礦作為云南銅業(yè)的主力礦山之一，是一個典型低品位銅礦。針對低品位礦體開采，為了提高礦石的開采效率，同時提高礦石回收率，大紅山銅礦采用兩步驟連續(xù)回采的大盤區(qū)空場嗣后充填法。在該法中，通過對一步驟回采礦房進行膠結(jié)充填形成人工礦柱，以人工礦柱代替原生礦柱為二步驟回采提供支撐作用。為了保證二步驟回采過程的安全性，有必要對膠結(jié)充填礦柱穩(wěn)定性進行研究[1-4]。

數(shù)值模擬方法通過模擬計算得出巖體在一定力學(xué)規(guī)則下的應(yīng)力或位移分布規(guī)律，從而實現(xiàn)對復(fù)雜巖體力學(xué)問題的分析研究。在眾多模擬軟件中，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件采用有限差分方法能夠非常準(zhǔn)確模擬巖體的應(yīng)力、位移變化以及塑性破壞情況，且計算結(jié)果容易收斂，是目前采礦及巖土工程領(lǐng)域常用的分析軟件。趙興東[5]利用FLAC3D對謙比希礦隔離礦柱的穩(wěn)定性問題進行模擬分析，結(jié)果表明預(yù)設(shè)21米隔離礦柱能夠滿足采場安全生產(chǎn)要求，具有足夠的穩(wěn)定性。尚振華[6]等利用FLAC3D對大規(guī)模采空區(qū)進行模擬分析，得到了采空區(qū)巖石的破壞服從Weibull分布和longarm分布規(guī)律，對采空區(qū)穩(wěn)定性問題進行了量化。王俊[7]等針對大紅山銅礦高礦柱強度設(shè)計問題，利用FLAC3D模擬得出了膠結(jié)充填體的強度參數(shù)。李夕兵[8]等利用FLAC3D對隔離礦柱理論計算結(jié)果進行了驗證，結(jié)果顯示隔離礦柱破壞在容許范圍內(nèi)，證明了理論計算的合理性。

1? 工程概況

大紅山銅礦385中段B12-20線開采區(qū)域地處大紅山群曼崗河組第三巖性段中部，礦巖屬性主要為含銅石榴黑云角閃片巖以及含銅磁鐵變鈉質(zhì)凝灰?guī)r。礦體的展布情況為東高西低，產(chǎn)出均勻。開采區(qū)域包含I2、I3兩部分礦體，二者相互平行，總體走向為東西向，傾向為南西向，傾角為18°-25°。主要礦物包括黃銅礦及磁鐵礦，黃銅礦分布不均勻，呈細脈狀、 侵染狀、團塊狀以及散點狀，磁鐵礦呈帶狀分布。開采區(qū)域內(nèi)存在FI-24-1斷層，產(chǎn)狀為走向N75°-W85°，傾向SW，傾角65°-75°。

根據(jù)礦體分布特點以及大紅山銅礦現(xiàn)有開采技術(shù)條件，采用下向大直徑深孔側(cè)向崩礦的大盤區(qū)空場嗣后充填連續(xù)采礦法。將盤區(qū)劃分為一步礦房和二步礦房，先采一步礦房、嗣后尾砂-塊石膠結(jié)充填，再采二步礦房、嗣后尾砂充填。如圖1所示，將大紅山銅礦385中段B12-20線開采區(qū)域劃分為13個礦房，其中包括7個一步膠結(jié)充填礦房和6個二步非膠結(jié)尾砂充填礦房，各礦房按圖1中編號順序開采。各礦房結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

2? 模型建立及參數(shù)取值

2.1 基本假定

地下礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件非常復(fù)雜，影響采場穩(wěn)定性的因素也很多。在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，為了突出所研究的問題，減少由于各種次要因素對數(shù)值計算結(jié)果的影響，因此在建立模型過程中做一些假設(shè)與簡化：

①假設(shè)礦體和充填體都為各向同性的連續(xù)介質(zhì)。

②由于充填體的沉降性，因而充填體最終一般很難接頂，在計算中忽略此項因素。

③在計算中僅考慮地應(yīng)力及重力的作用，忽略地震波、地下水及爆炸沖擊波對圍巖穩(wěn)定性的影響。

2.2 幾何模型的建立

根據(jù)礦山實際，按圖1所示盤區(qū)規(guī)劃情況，結(jié)合盤區(qū)實際尺寸建立大紅山銅礦385中段B12-20線開采區(qū)域模型。考慮模型范圍大小及單元網(wǎng)格劃分對模擬結(jié)果的影響，取盤區(qū)模型長度的3倍范圍為兩邊圍巖尺寸，地表即為模型的頂部，取盤區(qū)高度的1倍為盤區(qū)模型下部尺寸。幾何模型內(nèi)部按礦房名稱分組，模型的單元數(shù)（zone）為1621263個，節(jié)點數(shù)為（gridpoints）2246505個。三維模型如圖2、圖3所示。

2.3 本構(gòu)模型與力學(xué)參數(shù)

本文將盤區(qū)內(nèi)各種力學(xué)性質(zhì)巖體視為各向同性彈塑性連續(xù)介質(zhì)，并在數(shù)值模擬計算過程中，選擇莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）塑性本構(gòu)模型進行模擬分析，本構(gòu)模型如下所示：

式中1，2，t分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和抗拉強度c，？準(zhǔn)分別為粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞;ft<0時，材料將發(fā)生拉伸破壞。

綜合考慮礦山多年的工作經(jīng)驗和研究成果，所取巖石力學(xué)特性參數(shù)如表2所示。

2.4 初始應(yīng)力及邊界條件

根據(jù)大紅山銅礦最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力以及垂直主應(yīng)力的高度變化規(guī)律（如式（3）、式（4）、式（5）所示），取得計算模型hmax=29.23MPa，hmin=26.8MPa，v=24.36MPa。

式中，hmax、hmin、v分別為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力以及垂直主應(yīng)力，？酌為上覆巖石容重（MN/m3），h為測點埋深（m）。

按照上述參數(shù)對計算模型進行初始賦值，并設(shè)置模型屈服條件服從莫爾-庫侖（model mohr）準(zhǔn)則，模型四周以及底部設(shè)置固定位移邊界（Fix），模型頂部為自由邊界條件。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于篇幅原因，未將12-20線開采區(qū)域所有的礦房、礦柱數(shù)值模擬結(jié)果一一呈現(xiàn)，選取B16-18膠結(jié)礦房的開挖充填數(shù)值模擬結(jié)果作為典型進行穩(wěn)定性分析。

經(jīng)過初始地應(yīng)力計算之后，對B16-18膠結(jié)礦柱進行開挖，由于B16-18膠結(jié)礦柱是作為人工礦柱服務(wù)于B15-17-1礦房以及B15-17-2礦房回采，在B15-17-1礦房以及B15-17-2礦房回采過程中，B16-18膠結(jié)礦柱將先后暴露兩次，因此針對B16-18膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性研究而言，可將B16-18膠結(jié)礦柱暴露狀態(tài)分為一側(cè)臨空狀態(tài)和一側(cè)臨空另一側(cè)受尾砂側(cè)壓力狀態(tài)，通過分析B16-18膠結(jié)礦柱在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布情況可判斷膠結(jié)充填體在該狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

3.1 一側(cè)臨空狀態(tài)

在對B15-17-1礦房進行回采過程中，B16-18膠結(jié)礦柱暴露，受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋?cè)臨空的受力狀態(tài)，如圖4所示。此時，該膠結(jié)礦柱的應(yīng)力分布規(guī)律可如圖5所示。圖中“-”表示壓應(yīng)力，“+”表示拉應(yīng)力，與巖石力學(xué)中的規(guī)定相反。

如圖5所示，膠結(jié)充填體最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，在底部和臨空側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。根據(jù)膠結(jié)充填體中部應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果（？滓1=-0.15MPa，？滓3=0.035MPa），可繪制莫爾圓與應(yīng)力曲線關(guān)系圖，如圖6所示。

分析圖6可知，B16-18膠結(jié)礦柱膠結(jié)充填體在一側(cè)臨空條件下，根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果繪制莫爾圓在應(yīng)力曲線之下，即該膠結(jié)充填體不會發(fā)生破壞，能夠保持穩(wěn)定，圖7的塑性區(qū)分布情況也證實了該分析結(jié)果。

由圖7可知，該膠結(jié)礦柱幾乎沒有出現(xiàn)塑性區(qū)，整體性較好。由此可知，在一側(cè)臨空條件下，該膠結(jié)充填體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.2 一側(cè)臨空另一側(cè)受尾砂側(cè)壓力狀態(tài)

回采B15-17-2礦房，B16-18膠結(jié)礦柱形成一側(cè)臨空，另一側(cè)受B15-17-1礦房水砂充填側(cè)壓力作用的情況，如圖8所示。此時B16-18膠結(jié)礦柱的應(yīng)力分布規(guī)律可如圖9所示。

分析可知，膠結(jié)充填體最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，在臨空側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況最小主應(yīng)力在頂部和底部為拉應(yīng)力，其余部分為壓應(yīng)力。根據(jù)膠結(jié)充填體中部應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果（？滓1=-0.48MPa，？滓2=0.056MPa），可繪制莫爾圓與應(yīng)力曲線關(guān)系圖，如圖10所示。

由圖10可知，在一側(cè)臨空，一側(cè)水砂充填情況下，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果繪制莫爾圓仍然在應(yīng)力曲線之下，即該膠結(jié)充填體不會發(fā)生破壞，塑性區(qū)分布情況如圖11。

如圖11所示，該膠結(jié)礦柱塑性區(qū)主要分布于頂部及表面，體內(nèi)塑性區(qū)并未貫穿，整體性較好。由此可知，在一側(cè)臨空另一側(cè)受尾砂側(cè)壓力條件下，膠結(jié)充填體僅表面會出現(xiàn)塑性區(qū)，在容許范圍之內(nèi)，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4? 結(jié)論

為了保證二步驟回采過程的安全性，本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對對膠結(jié)充填礦柱穩(wěn)定性進行研究?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

①根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，通過應(yīng)力莫爾圓與強度曲線空間關(guān)系分析可知，大紅山銅礦385中段12-20線回采區(qū)域膠結(jié)礦柱在相鄰兩側(cè)礦房開挖、多次暴露情況下，莫爾圓在其應(yīng)力曲線之下，膠結(jié)礦柱能夠保持穩(wěn)定，不會發(fā)生破壞。

②塑性區(qū)分布情況表明，大紅山銅礦385中段12-20線回采區(qū)域膠結(jié)礦柱在服務(wù)二步驟回采過程中，僅在表面出現(xiàn)一定的剪切破壞和拉伸破壞，塑性區(qū)并未貫穿，均能保持其自身穩(wěn)定，所構(gòu)成的支撐框架為區(qū)段回采提供了安全可靠的作業(yè)環(huán)境。

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