基于FLAC3D的謙比希銅礦盤(pán)區(qū)保安礦柱穩(wěn)定性分析

楊清平， 陳志強(qiáng)， 王紅心

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋； 2.北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司， 北京 101500)

1 前言

地下開(kāi)采過(guò)程中，常留設(shè)一定厚度的保安礦柱與圍巖共同作用來(lái)支撐上覆巖石，以此來(lái)保持采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)礦體安全回采。但是保安礦柱留設(shè)過(guò)大、過(guò)多，將造成資源的浪費(fèi)，不利于礦山的可持續(xù)發(fā)展；若保安礦柱留設(shè)不足，礦柱承載力不夠?qū)l(fā)生失穩(wěn)破壞，威脅井下人員和設(shè)備安全。因此，研究留設(shè)保安礦柱不同厚度的穩(wěn)定性，不僅對(duì)維持采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)井下安全高效回采具有重大意義，同時(shí)可對(duì)后期優(yōu)化礦柱留設(shè)開(kāi)采提供有意借鑒。王文軍等[1]采用ANSYS有限元軟件，分析了不同厚度隔離礦柱的位移規(guī)律和塑性區(qū)分布規(guī)律，驗(yàn)證了25 m厚原巖隔離礦柱能保證安全生產(chǎn)；劉志新等[2]對(duì)過(guò)渡區(qū)不同厚度礦柱下的采場(chǎng)運(yùn)用ANSYS和FLAC3D進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算，得到現(xiàn)階段礦柱仍能支撐兩個(gè)分層采場(chǎng)的回采；張兵等[3]采用FLAC3D軟件對(duì)21 m厚度的水平礦柱進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到其能有效保障上下采場(chǎng)安全作業(yè)；盛佳等[4]基于沉降監(jiān)測(cè)、層次分析法及數(shù)值模擬對(duì)井筒保安礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，綜合研判井筒保安礦柱穩(wěn)定性良好。

謙比希銅礦東南礦體采用預(yù)切頂空?qǐng)鏊煤蟪涮罘l帶式開(kāi)采，盤(pán)區(qū)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所留設(shè)的保安礦柱厚度為25 m，為探究其留設(shè)此厚度保安礦柱的穩(wěn)定性，同時(shí)為后期優(yōu)化礦柱尺寸留設(shè)提供借鑒，本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)二步驟采場(chǎng)回采完成后，從應(yīng)力、位移及塑性區(qū)方面分別對(duì)保安礦柱留設(shè)厚度在25 m、23 m、21 m、19 m、17 m、15 m時(shí)進(jìn)行研究分析。

2 開(kāi)采技術(shù)條件

謙比希銅礦東南礦體一期工程首采區(qū)主要回采1號(hào)礦體0線(xiàn)以北部分，其首采區(qū)又劃分為北首采區(qū)和南首采區(qū)。北首采區(qū)分布于地表勘探線(xiàn)39線(xiàn)～53線(xiàn)，垂向范圍980～1 060 m水平。1號(hào)礦體礦體厚度13～15 m，平均厚度14 m，平均傾角10°。

礦體上盤(pán)圍巖主要為石英巖及泥質(zhì)石英巖等，厚度11～75 m，巖體完整，局部為基本完整，巖石結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬、穩(wěn)定、完整。礦體主要為礦化板巖。礦體下盤(pán)圍巖主要為石英巖、下盤(pán)礫巖及長(zhǎng)石石英巖等，下盤(pán)巖石均堅(jiān)硬、穩(wěn)定、完整。

3 預(yù)切頂空?qǐng)鏊煤髼l帶式開(kāi)采法

設(shè)計(jì)將礦體劃分為盤(pán)區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)，盤(pán)區(qū)沿礦體走向方向布置，每個(gè)盤(pán)區(qū)長(zhǎng)200 m，寬100 m，盤(pán)區(qū)內(nèi)礦塊高50 m，盤(pán)區(qū)間留25 m厚間柱，盤(pán)區(qū)內(nèi)條形采場(chǎng)長(zhǎng)80 m，寬9 m。采用預(yù)切頂空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采，“隔一采一”，一步驟采場(chǎng)回采完成且充填體養(yǎng)護(hù)合格后，回采二步驟采場(chǎng)。單個(gè)采場(chǎng)切頂上山完成后，在采場(chǎng)一端施工切割天井，為切割拉槽提供自由面，切割槽完成后，在切頂上山采用下向平行中深孔后退式回采，回采剖面圖如圖1所示。

圖1 條帶式采場(chǎng)回采剖面圖

4 采場(chǎng)數(shù)值模型的建立

4.1 幾何模型的建立

選取謙比希銅礦東南礦體北首采區(qū)960 m水平分段1盤(pán)區(qū)5個(gè)采場(chǎng)和2盤(pán)區(qū)5個(gè)采場(chǎng)建立幾何模型。Z方向模型范圍根據(jù)埋深確定，960 m水平分段礦體埋深960 m。X、Y方向的模型范圍依據(jù)圣維南原理確定，即根據(jù)應(yīng)力擾動(dòng)波及范圍，選取3倍的開(kāi)挖邊界作為建立X、Y方向的模型范圍[5]。幾何模型尺寸大小為250 m×150 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，具體如圖2所示，模型共包含單元305 500個(gè)，節(jié)點(diǎn)319 968個(gè)。

圖2 北首采區(qū)960 m水平分段1盤(pán)區(qū)和2盤(pán)區(qū)三維數(shù)值計(jì)算模型

4.2 力學(xué)參數(shù)的確定

模擬計(jì)算選取摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，礦巖物理力學(xué)參數(shù)使用的是礦山前期開(kāi)展的力學(xué)試驗(yàn)研究取得的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)折減而來(lái)，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算所用的礦巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)值表

體積模量K、剪切模量G與彈性模量E、泊松比μ的關(guān)系根據(jù)式(1)、(2)推導(dǎo)計(jì)算，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 模型數(shù)值計(jì)算中摩爾- 庫(kù)倫模型參數(shù)值

(1)

(2)

4.3 邊界條件

設(shè)定模型位移邊界條件，即模型上表面自由，下表面固定，前后左右表面位移為零，對(duì)模型施加相當(dāng)于采場(chǎng)埋深的壓應(yīng)力23.65 MPa。

4.4 結(jié)果分析

模型計(jì)算首先根據(jù)邊界條件、力學(xué)等參數(shù)等進(jìn)行初始化運(yùn)行，其最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力符合地應(yīng)力分布一般規(guī)律，將模型產(chǎn)生的位移、速率、塑性區(qū)等清零后按實(shí)際開(kāi)采充填過(guò)程逐步模擬，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化了礦房結(jié)構(gòu)，未考慮軟化、硬化現(xiàn)象。結(jié)果分析針對(duì)的是在一步驟回采充填完成后的基礎(chǔ)上，二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖后盤(pán)區(qū)間礦柱應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化狀況。

1)應(yīng)力分析

對(duì)礦柱應(yīng)力的分析主要以礦柱所受的最大主應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖3所示為二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖后盤(pán)區(qū)間不同厚度礦柱最大主應(yīng)力分布云圖。對(duì)比15 m、17 m、19 m、21 m、23 m、25 m厚度的礦柱受力，共同點(diǎn)是都受壓應(yīng)力集中，且最大壓應(yīng)力都分布在礦房的角隅處，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.82，推測(cè)原因是由于礦房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，方向突變?cè)斐傻?，?shí)際開(kāi)采過(guò)程中礦房邊角處多呈弧狀，應(yīng)力集中會(huì)相對(duì)小一些；其次，二步驟開(kāi)挖后，25 m、23 m、21 m及19 m厚度的礦柱受力大小及分布相似，較大應(yīng)力似拱形分布在礦柱側(cè)幫且未貫穿整個(gè)礦柱厚度，礦柱失穩(wěn)的可能性較小，而17 m和15 m厚度的礦柱中受較大壓應(yīng)力作用且貫穿整個(gè)礦柱厚度呈X型共軛分布，在蠕變作用下礦柱的安全性會(huì)不斷降低。

圖3 二步驟開(kāi)挖后不同厚度礦柱的最大主應(yīng)力云圖

2)位移分析

圖4所示為二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖完成后盤(pán)區(qū)間不同厚度尺寸礦柱位移變化云圖，選取Z-disp為評(píng)價(jià)指標(biāo)。從圖中可以看出，礦柱的上端較下端出現(xiàn)更大的位移變形，與礦柱厚度尺寸無(wú)關(guān)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)文件記錄，15 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量達(dá)8.73 cm，17 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量2.54 cm，19 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量達(dá)2.39 cm，21 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量2.34 cm，23 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量2.27 cm，25 m厚盤(pán)區(qū)間礦柱最大下沉量1.63 cm，從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，礦柱厚度在17～25 m時(shí)，其最大下沉量變化不大，而從17 m變至15 m時(shí)，其最大下沉量發(fā)生突變，推測(cè)15 m厚度尺寸的礦柱很有可能發(fā)生了部分結(jié)構(gòu)性破壞。

圖4 二步驟開(kāi)挖后不同厚度礦柱的位移云圖

3)塑性區(qū)分析

圖5所示為二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖完成后盤(pán)區(qū)間不同厚度尺寸礦柱塑性區(qū)分布云圖，從圖中可以看出，盤(pán)區(qū)間礦柱塑性區(qū)區(qū)域主要分布在靠近采空區(qū)四周的側(cè)幫上，且呈剪切變形；所有礦柱兩幫塑性變形并未貫穿整個(gè)礦柱，說(shuō)明礦柱的整體結(jié)構(gòu)仍保持完整；此外，根據(jù)塑性變形的網(wǎng)格數(shù)可以看出，礦柱厚度尺寸越大，塑性區(qū)域面積所占的整個(gè)礦柱的面積就越小，礦柱穩(wěn)定性就越高，所以25 m厚度的礦柱穩(wěn)定最好，15 m厚度的礦柱穩(wěn)定性最差。

圖5 二步驟開(kāi)挖后不同厚度礦柱的塑性區(qū)分布云圖

5 結(jié)論

(1)二步驟開(kāi)挖完成后，25 m、23 m、21 m及19 m厚度的礦柱側(cè)幫受較大壓應(yīng)力作用，且呈拱形分布，但受力未貫穿整個(gè)礦柱；而17 m和15 m厚度的礦柱所受較大壓應(yīng)力在礦柱中呈X型共軛分布，長(zhǎng)期蠕變作用下，礦柱失穩(wěn)破壞的可能性較大。二步驟開(kāi)挖完成后，25 m、23 m、21 m、19 m及17 m厚度的礦柱豎直方向的最大下沉量分別為1.63 cm、2.27 cm、2.34 cm、2.39 cm及2.54 cm，而15 m厚度的礦柱最大下城量達(dá)8.73 cm，下沉量突變，推測(cè)其部分結(jié)構(gòu)發(fā)生了失穩(wěn)破壞。二步驟開(kāi)挖完成后，不同厚度的礦柱側(cè)幫都出現(xiàn)了剪切變形，從塑性區(qū)所占礦柱面積的比例來(lái)看，25 m厚度的礦柱穩(wěn)定最好，15 m厚度的礦柱穩(wěn)定性最差。

(2)綜合分析不同厚度尺寸礦柱在二步驟采場(chǎng)開(kāi)挖后的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)情況，可以得到，謙比希銅礦東南礦體盤(pán)區(qū)間礦柱留設(shè)厚度在19 m及以上時(shí)，可滿(mǎn)足其穩(wěn)定性要求。因而，現(xiàn)場(chǎng)留設(shè)的25 m厚盤(pán)區(qū)礦柱能滿(mǎn)足其穩(wěn)定性要求。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀察表明，二步驟采場(chǎng)回采完成后，盤(pán)區(qū)間留設(shè)的25 m厚礦柱結(jié)構(gòu)良好，未發(fā)生片幫等現(xiàn)象，表明其穩(wěn)定性良好。此外，上述研究成果可為后期優(yōu)化礦柱留設(shè)提供借鑒。