無底柱分段崩落采礦法地壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬分析

童玉升 李士超 王攀 陳宜華3

摘要：夏甸金礦主要采用無底柱分段崩落采礦法對厚大礦體進行開采，隨著開采深度增加，采場地壓逐漸增大，且礦巖屬性較易因開采擾動發(fā)生次生應力場變化，導致地壓災害產生。基于Flac3D軟件對深部采場地壓活動進行數(shù)值模擬，分析采場地壓變化規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明：無底柱分段崩落采礦法采場回采進路中頂?shù)装逅綉^大，兩幫垂直應力較大;在靠近回采工作面處的頂板中水平應力出現(xiàn)集中;相鄰進路之間應力會出現(xiàn)轉移?；夭蛇^程中需要對采場頂板進行水平應力監(jiān)測，回采進路時要注意對相鄰進路進行應力監(jiān)測。

關鍵詞：無底柱分段崩落采礦法;Flac3D軟件;數(shù)值模擬;應力分布;地壓規(guī)律;地壓監(jiān)測

中圖分類號：TD853.36文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）06-0032-03doi：10.11792/hj20220607

地下開采礦山在開采過程中，采場中的原始應力場遭到破壞，巖體中的應力重新分布，形成次生應力場。開采前了解巖體中應力場的分布特點，對選擇合適的采礦方法和合理的結構參數(shù)具有重要意義[1-4]。

招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦（下稱“夏甸金礦”）主采礦體裂隙較發(fā)育，巖體不完整，圍巖破碎程度高，主要采用無底柱分段崩落采礦法回采。隨著開采深度的增加，采場地壓逐漸增大，且受開采擾動的影響，易產生次生應力場變化，導致地壓災害產生。本文基于Flac3D軟件對深部采場地壓活動進行數(shù)值模擬，分析采場地壓變化規(guī)律，為深部礦體的安全高效開采提供技術支撐。

1 工程背景

夏甸金礦主采礦體分布在招平斷裂帶中段的芝下—姜家窯斷裂帶下盤，工業(yè)礦體主要賦存于斷裂帶下盤40 m內，而斷裂帶下盤次級構造極發(fā)育，圍巖蝕變程度高，從斷裂帶往斷裂帶下盤，其蝕變巖分帶依次是斷層泥帶、黃鐵絹英巖化碎裂巖帶、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖帶和黃鐵絹英巖化花崗巖帶，礦體主要賦存于黃鐵絹英巖化碎裂巖帶，部分延伸入黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖帶中，裂隙發(fā)育，巖體不完整，因此圍巖的破碎程度高[5]。

夏甸金礦現(xiàn)階段主要開采水平為-740 ～-700 m，厚大礦體主要采用無底柱分段崩落采礦法開采。無底柱分段崩落采礦法影響區(qū)域地壓顯現(xiàn)較其他地方強烈，進路冒頂和片幫發(fā)生的頻率更高。目前，在開采過程中，由于深部采場地壓較高且易受開采擾動的影響，深部采場及巷道中部分區(qū)域出現(xiàn)了頂板冒落、頂板圍巖破碎、兩側巖壁片幫等現(xiàn)象[6-7]。因此，有必要對深部采場進行數(shù)值模擬分析，掌握其地壓分布規(guī)律，從而采用適當?shù)拇胧﹣砜刂坪蜏p小地壓。

2 基于Flac3D軟件的數(shù)值模擬

2.1 力學參數(shù)

基于礦山開采整體穩(wěn)定性分析，依據(jù)礦山巖石力學試驗結果，巖體參數(shù)經(jīng)過折減處理后，確定了此次數(shù)值模型中的巖體物理力學參數(shù)，結果如表1所示。

2.2 數(shù)值模型構建

本次采用Flac3D軟件模擬礦山無底柱分段崩落采礦法采場單翼階梯回采。本次模擬主要分析在單翼階梯回采過程中采場的應力變化情況，模擬過程中相鄰進路的回采進度相差10 m，不同模型之間回采進度相差5 m，其回采過程如圖1所示。

本次數(shù)值模擬以夏甸金礦-740 m中段無底柱分段崩落采礦法采場為工程背景，模型長×寬×高為180 m×185 m×180 m。無底柱分段崩落采礦法采場長度40 m，高度40 m，分段高度10 m，進路間距10 m，目前采用的回采方式為單翼階梯回采。根據(jù)礦山采場工程概況建立模型[8-9]，如圖2所示。

2.3 初始應力平衡

實際地下開采模擬過程中，默認自重應力場已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且塑性變化還未發(fā)生，即位移和塑性變化為零，故在礦體開挖計算之前通過命令設置，將自重應力計算過程中的位移和塑性變化清零，僅保存其應力場，如圖3所示。

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 沿走向應力分布

對回采進路沿走向應力分布進行數(shù)值模擬，模擬結果如圖4～6所示。從圖4～6可以看出：回采進路的頂板及底板中出現(xiàn)了應力集中，最大水平應力值為32.8 MPa，未進行回采的進路頂?shù)装逯袘χ递^小，平均值為26.0 MPa;同時由于相鄰進路回采的影響，同一分段未回采的進路頂板中也出現(xiàn)了一定程度的應力集中。這說明在同一分段內，一條進路的回采會使得該分段內相鄰進路頂板中應力增加，即進路在回采過程中會將應力轉移至相鄰的進路中，使得其應力值增加。

此外，從圖4～6還可以看出：在剛開始回采時（第二條進路回采15 m），回采進路頂板中并沒有較大的應力集中，其最大水平應力值為29.0 MPa;當回采至一定距離（回采20 m），頂板中水平應力值增大至32.8 MPa，這表明在單翼階梯回采過程中，頂板中的水平應力值并不是一直很大，只是在回采至一定階段（約20 m）時，頂板中的水平應力才會出現(xiàn)一個較大的值。

3.2 垂直應力分布

對回采進路垂直應力分布進行數(shù)值模擬，結果如圖7所示。從圖7可以看出：回采進路的兩幫出現(xiàn)垂直應力集中，最大垂直應力值為29.2 MPa，而且下分段回采進路兩幫垂直應力明顯大于上分段。對比回采過程中最大垂直應力發(fā)現(xiàn)，隨著回采長度增加，回采進路兩幫中的垂直應力逐漸下降，下降幅度較小。

3.3 垂直走向應力分布

對回采進路垂直走向應力分布進行數(shù)值模擬，結果如圖8所示?；夭蛇^程中，在靠近回采工作面的區(qū)域，回采進路頂板中水平應力有一定的增加，最大值為57.1 MPa;遠離工作面一段距離（約為4 m）后，頂板中的水平應力值又恢復正常，正常值平均為47.5 MPa;在回采進路的末端，即靠近分段聯(lián)絡巷的區(qū)域，回采進路頂板中水平應力又有一定的增加，最大值為52.5 MPa，回采進路末端應力增加區(qū)域的長度約為2 m。因此，在一定程度上可以說明，為什么回采進路和分段聯(lián)絡巷的交叉口巖體破碎程度高。下分段的進路中也有類似的應力分布特點，即進路在未回采時，其頂板中的水平應力就呈現(xiàn)兩端應力高，中間應力低的特點。因此，支護工作也可以據(jù)此有針對性地展開，在回采進路工作面附近及末端保證足夠的支護強度，在回采工作面后方4 m及以后的范圍，支護工作可以相對減少。

4 支護建議

根據(jù)對深部采場地壓活動進行數(shù)值模擬分析所得的地壓分布規(guī)律，夏甸金礦在單翼階梯回采過程中可采用多種針對性措施控制和減小地壓?；夭蛇M路的頂板水平應力值在回采至一定距離（約20 m）時會突然增大，因此僅在回采進路20 m后提高支護強度，減少了回采進路工作面整體的支護工作;在回采進路工作面附近及末端加強支護強度，減少了工作面后方的支護工作。

這些舉措不僅可以有效改善回采進路中的應力分布狀態(tài)，保障采場作業(yè)安全，而且有利于減輕支護工作壓力，提高出礦效率，擴大礦山生產能力，對夏甸金礦深部開采工作具有積極的意義。

5 結 論

1）無底柱分段崩落采礦法采場回采進路中頂?shù)装逅綉^大，兩幫垂直應力較大，在靠近回采工作面處的頂板水平應力出現(xiàn)集中，遠離回采工作面一段距離（約為4 m）后，頂板水平應力值恢復正常。回采時，要注意靠近回采工作面巖體頂板的穩(wěn)定性。采場中位移量較小，回采進路收縮量小。

2）同一分段內在進行回采時，相鄰進路之間應力會出現(xiàn)轉移，因此在回采進路時要注意對相鄰進路中應力的監(jiān)測。

3）在單翼階梯回采過程中頂板水平應力并不是一直保持一個很大的值，因此在回采前20 m時并不需要很多支護工作，支護工作的重點是回采進路的20 m后。

[參 考 文 獻]

[1] 胡寶文.基于大間距無底柱分段崩落法的巷道圍巖力學行為研究[D].北京：北京科技大學，2017.

[2] 宋衛(wèi)東，梅林芳，譚玉葉，等.大間距無底柱分段崩落法采場地壓變化規(guī)律研究[J].金屬礦山，2008（8）：13-16，39.

[3] 朱強，陳星明，張志貴，等.某礦無底柱分段崩落法采場的爆堆通風[J].金屬礦山，2017（1）：179-182.

[4] 彭張，劉強，魏銀鴻，等.自然崩落法放礦量與底部結構應力分布關系研究[J].有色金屬，2020，72（2）：1-4.

[5] 周宗紅.夏甸金礦傾斜中厚礦體低貧損分段崩落法研究[D].沈陽：東北大學，2006.

[6] 周東良，何少博，董經(jīng)綸，等.無底柱分段崩落采礦法回采方式對進路應力影響的模擬分析[J].黃金，2016，37（2）：30-34.

[7] 楊悅增，何少博，王金波，等.夏甸金礦崩落法隱伏采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].有色金屬，2017，69（4）：26-29.

[8] 郭忠平，馮帆，黃瑞峰，等.單一巷道進路式回采上覆充填體力學行為及穩(wěn)定性研究[J].金屬礦山，2014（4）：60-64.

[9]李濤，李明亮，單麒源，等.基于FLAC3D模擬的軟巖巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].山西建筑，2020，46（16）：61-64.

Numerical simulation analysis of ground pressure appearance laws

of pillarless sublevel caving method

Tong Yusheng1，Li Shichao2，Wang Pan3，Chen Yihua3

（1.Xiadian Gold Mine，Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.

;

2.Changsha Mining Research Institute Co.，Ltd.;

3.School of Energy and Environment，Anhui University of Technology）

Abstract：The Xiadian Gold Mine mainly mines thick and large ore bodies by pillarless sublevel caving method.As the mining depth increases，the ground pressure increases gradually，and the mineral properties are more susceptible to secondary stress field changes due to extraction perturbations，leading to ground pressure disasters.Based on Flac3D software to numerically model the activity of deep stope ground pressure，the law of stope ground pressure change is analyzed.Numerical simulation results showed that the horizontal stress of roof and floor was larger and the vertical stress of two sides was larger in the recovery access of pillarless sublevel caving method;horizontal stress appears concentrated in roof close to the extraction working surface;stress transfer in adjacent accesses occur.Horizontal stress monitoring of the roof of the stope is required during recovery process，and the stress should be monitored on the adjacent access when one access is recovered.

Keywords：pillarless sublevel caving method;Flac3D software;numerical simulation;stress distribution;ground pressure law;ground pressure monitoring

收稿日期：2021-11-20; 修回日期：2022-04-08

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0801605）

作者簡介：童玉升（1990—），男，山東招遠人，工程師，從事金屬礦山開采工藝技術研究工作;山東省招遠市夏甸鎮(zhèn)，招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦，265414;E-mail：chenyh_1234@163.com

通信作者，E-mail：chenyh_1234@163.com，13956233927