基于FLAC3D的龍門山礦東采區(qū)回采方案優(yōu)選

高興紅 操 帥 李同鵬3

（1.六安市安全生產(chǎn)監(jiān)察支隊；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

在進行深部開采時，尤其是在一些高地應力和大規(guī)模開采條件下，采場所承受的風險比一般情況下更高［1-2］。隨著計算機技術崛起，數(shù)值模擬成為研究開采方案優(yōu)化中重要的工具和方法。趙楊等［3］借助三維地質(zhì)模型軟件GOCAD建立了精細的礦體模型，在數(shù)值模擬計算結果中，綜合比較不同開采方案對充填體、水平礦柱所產(chǎn)生的影響，從而選取最優(yōu)的開采方案。于世波等［4］通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測相結合的手段，探究圍巖變形控制中充填體的作用。吳順川等［5］以甘肅某礦為研究對象，利用有限差分法，研究回采過程中水平礦柱力學變化和響應情況以及礦柱的沉降規(guī)律。

龍門山銅礦東部采區(qū)為分段空場嗣后充填法，因位于L23礦體最厚大部分，劃分了多個采場，其中部分采場已回采完畢未充填，形成一片較大面積的采空區(qū)，而與之相鄰的幾個采場開采對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響不明確。對東采區(qū)E3北和E4采場提出5種充填回采方案，通過數(shù)值模擬手段，研究不同開采方案的安全性，從而確定最優(yōu)回采方案。

1 礦山開采條件

1.1 礦體構造

龍門山銅礦位于安慶市懷寧縣月山鎮(zhèn)北西約1.5 km的鐵鋪嶺與小門山處，共有26個礦體，分別為L1～L14、L16～L27，其中平衡表內(nèi)銅礦體17個，平衡表外銅礦體6個，單鐵礦體3個。L7、L23為主要礦體，L9為次要礦體，其他屬于小礦體。

礦體賦存于矽卡巖中，在111與121勘探線之間，沿走向具分叉現(xiàn)象，在084線以東膨脹。賦存標高為-450～-603 m，其中-530 m水平處有延伸長度約為200 m的較大規(guī)模礦體。

1.2 礦區(qū)巖土力學參數(shù)

對礦區(qū)巖石進行取樣，制作標準巖樣，并進行各項室內(nèi)試驗，最終獲取巖樣的各項力學參數(shù)，見表1。

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1.3 礦區(qū)開采現(xiàn)狀

如圖1所示，東部采區(qū)為L23礦體最為厚大部分，采用分段空場嗣后充填法兩步驟回采，劃分礦房和礦柱，寬度均為12 m，由于三～六采場礦體太厚，采場長度太長，在中間設置了一條寬度為12 m的隔離間柱，將三～六采場分成南北采場，總共劃分了E1、E2、E3南、E3北、E4南、E4北、E5南、E5北、E6南、E6北、E7和E8共12個采場，截止現(xiàn)場調(diào)研時，E1、E2、E3南、E5、E6南已經(jīng)回采結束，E5北已經(jīng)進行膠結充填，E5南和E6南正進行膠結充填，E6北正進行開采，由于E1、E2和E3南未進行充填，且連成一片，造成采空區(qū)面積過大，可能影響其他采場的安全。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 計算幾何模型

圖2為依據(jù)東部采場礦體及實測空區(qū)三維模型構建數(shù)值計算模型，不同的顏色代表采區(qū)或采空區(qū)。對空區(qū)三維模型做簡化處理，以使計算速度加快。數(shù)值模型長300 m，寬200 m，高200 m，模型Z向標高為-610～-410 m。

礦體賦存矽卡巖中，本次數(shù)值模擬相關的力學參數(shù)見表2。

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2.2 巖體本構模型及破壞準則

摩爾-庫侖本構模型適用于在剪應力作用下屈服的材料，其中剪應力只取決于最大和最小主應力，第二主應力對屈服沒有影響，即認為當材料某區(qū)域的剪應力達到某一特定值時，該區(qū)域就進入屈服，通常用來模擬地下開挖。本次模型采用摩爾-庫侖準則和最大拉應力復合破壞準則。

2.3 初始地應力場及邊界條件

地下開采引起的巖體應力、位移變化是在原巖初始應力狀態(tài)下發(fā)生的，原巖應力直接關系到計算結果的可靠性。假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各向同性體，礦體模型頂部標高為-410 m，地表處的最高標高為50 m，故礦體頂板至地表高度差為460 m。因此需要在模型上部加載厚度為460 m的圍巖重力應力場，經(jīng)計算加載量為13 MPa。

選取3個地應力觀測點，由淺至深依次為-530 m中段測點、-605 m中段測點、-680 m中段測點，由于同一水平面測點數(shù)偏少，故本次研究只能假定模型表面的地應力大小是按深度等差分布，在各點與各點之間進行應力插值計算，則計算模型區(qū)域內(nèi)應力梯度見表3。

注：ε1，ε2，ε3分別為3個主應力分布梯度，MPa/m。

模型除上邊界外為自由面，其他邊界位移限制為零。

在表3的基礎上，采用應力邊界法加載自重和構造應力，運用分階段彈塑性求解，即采用自重及構造應力的復合應力場。

3 數(shù)值模擬結果

由于E1、E2和E3南未進行充填，連成一片造成采空區(qū)面積過大，需要分析空區(qū)對E3北、E4采場開采造成的影響，在保證安全的前提下，盡可能多地回收該部分礦體。針對該目標，制定了多種開采方案，詳情見表4。

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分析L23東部采場采空區(qū)所承受的最大主應力、最小主應力及最大位移，以判定各方案的安全性優(yōu)劣。

3.1 應力計算結果分析

3.1.1 最大主應力計算結果

因篇幅有限，僅展示方案一模擬結果。從圖3中得知，L7空區(qū)頂板呈受拉狀態(tài)，因此最大主應力為拉應力，最大受力點位于L7空區(qū)頂板處，其拉應力值達0.853 MPa，圍巖最大抗拉強度為0.918 MPa，其安全系數(shù)為1.076，易發(fā)生冒落破壞。L23東部采場空區(qū)主要張拉區(qū)域位于空區(qū)頂板，最大受力點位于E3N與E4N采場空區(qū)中央部位，其拉應力值達到0.6 MPa，小于圍巖最大抗拉強度0.918 MPa（根據(jù)FLAC3D軟件對應力的方向規(guī)定，正值表示拉應力，負值表示壓應力）。

表5為各方案L7空區(qū)頂板受力情況統(tǒng)計，各方案對L7空區(qū)及周邊受力狀態(tài)與開挖前當前狀態(tài)一致，說明該方案在L23東部采場的開挖因距離L7空區(qū)較遠，并沒有影響到L7空區(qū)及周邊受力狀態(tài)。

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3.1.2 最小主應力計算結果

圖4為計算完畢后方案一部分標高所受最小主應力云圖。從圖4中可以看出，采場及空區(qū)周邊一般承受壓應力，因此最小主應力為壓應力，受力點一般位于L7空區(qū)的東部和南部，L23東部采場的西部和北部，且在這2個區(qū)域之間的隔離間柱處相接。當前狀態(tài)下，L23東部采場周邊圍巖最大壓應力值約為24.7 MPa，小于抗壓強度。

模擬結果得出，方案一至方案五所受壓應力分別為24.7，24.62，24.51，24.56，24.60 MPa，位置均處于L7空區(qū)的東部和南部、L23東部采場的西部和北部。根據(jù)對各方案最小主應力的比較，各方案L23東部采場周邊最小主應力相差不大，且均較小于最大抗壓強度。

3.2 Z向位移計算結果

圖5為方案一計算完畢后Z向位移云圖，其中正值代表向上，負值代表向下。由圖5中可知，空區(qū)頂板為位移方向向下，底板為位移方向向上，最大向下位移處位于采場空區(qū)與充填體交界處，達到36.42 cm。

方案一至方案五所發(fā)生最大位移值分別為36.42，36.42，36.37，47.50，36.42 cm，最大位移均為采場空區(qū)與充填體交界處。根據(jù)對各方案下沉位移的比較，除了方案四外，各方案L23東部采場周邊最大Z向位移值相差不大。

3.3 方案比較分析

各方案詳細的最大拉應力值及張拉范圍面積比較見表6。

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從安全角度考慮，根據(jù)空區(qū)頂板最大拉應力值、平面范圍大小及抗拉安全系數(shù)進行方案排序，可以得到各方案優(yōu)劣：方案一＞方案三＞方案四＞方案五＞方案二。

從其他方面考慮，各方案優(yōu)劣對比情況如下：

（1）方案一因充填所有采空區(qū)，所以采空區(qū)頂板所受拉力值最小，所受張拉面積也最小，采空區(qū)的安全系數(shù)最高。

（2）方案二則因不充填采空區(qū)，使得空區(qū)頂板暴露，最大受拉應力平面范圍突增至736 m2，所受拉應力值也最大，為0.8 MPa，并且位于隔離礦柱北部E4南空區(qū)中部處接近極限抗拉強度0.9 MPa，頂板易發(fā)生大面積張拉破壞，不安全，不予考慮。

（3）方案三、四、五皆為采場內(nèi)留設礦柱及回采后部分膠結充填方案。方案三與方案四比較相似，其中方案四需要充填E4北采場空區(qū)，但結果顯示兩方案隔離礦柱南部及北部空區(qū)頂板所受拉應力及拉應力平面范圍相差不大，安全系數(shù)均大于1.3，且方案四要求E4北采場膠結充填，使得成本較大，所以方案三優(yōu)于方案四。

（4）方案五與方案三在隔離礦柱南部空區(qū)處理方案相同，均在E4南采場中央留設礦柱，因此南部的拉應力與方案三幾乎相同。但在隔離礦柱北部空區(qū)處理上有所不同，于E3北北部留設礦柱，方案三未在E3北中央留設礦柱，所以方案三在隔離礦柱北部無應力集中點，而方案五北部空區(qū)存在一個拉應力集中點，其值約為0.65 MPa，相比較于最大抗拉強度0.918 MPa，北部的安全系數(shù)為1.41。方案五的安全性低于方案三，但方案五留設的北部礦柱礦量低于方案三留設的中央礦柱礦量，所以方案五要優(yōu)于方案三。

根據(jù)上述比較，方案二代表的不充填采空區(qū)方案雖然成本最低，但最為危險，易發(fā)生冒頂事故。方案三、四、五代表的采場內(nèi)留設礦柱，回采后部分膠結充填采空區(qū)方案，說明留設礦柱能夠一定程度提高安全性，回采成本也相應較為合適。根據(jù)不同留設礦柱充填方案，使得空區(qū)頂板受力情況不同，本文中方案五的留設礦柱量較低，回采的礦石量比其他2個方案高，且安全系數(shù)只是稍低，屬于這一類方案中最優(yōu)解。方案一代表的膠結充填所有采空區(qū)最為安全，但是成本也是最高的。

4 結 論

（1）將現(xiàn)有采空區(qū)全部膠結充填方案最為安全，且采空區(qū)采取膠結充填治理后有利于隔離礦柱的回收，但是成本也最高。

（2）現(xiàn)有采空區(qū)暫不處理，采場內(nèi)留設礦柱及回采后部分膠結充填方案雖然安全性低于膠結充填所有采空區(qū)的方案，但是回采成本更低，并且根據(jù)留設礦柱方案不同，安全系數(shù)也不同，可結合其他條件具體選擇最優(yōu)方案。