張友鋒， 張耀平， 王 林

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,江西 贛州 341000;2.安慶銅礦,安徽 安慶 246131）

安慶銅礦深部開采-400 m隔離礦柱穩(wěn)定性分析

張友鋒1， 張耀平1， 王 林2

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,江西 贛州 341000;2.安慶銅礦,安徽 安慶 246131）

采用拉格朗日非線性程序，數(shù)值模擬計(jì)算與分析了安慶銅礦l#礦體-400 m水平隔離礦柱在深部礦體開采過(guò)程中的力學(xué)效應(yīng)顯現(xiàn)規(guī)律.研究結(jié)果表明：隔離礦柱在上部礦體開采后，因覆蓋巖體卸載產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，呈現(xiàn)“凸起”垂直位移變形；在深部厚大礦體開采擾動(dòng)下，隔離礦柱局部區(qū)域應(yīng)力集中，部分區(qū)域發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)應(yīng)力拉力拱現(xiàn)象，產(chǎn)生下向變形位移，與礦山常規(guī)位移變形監(jiān)測(cè)結(jié)果近似.綜合分析，隔離礦柱在深部礦體開采過(guò)程中整體穩(wěn)定性良好.

采礦工程；隔離礦柱；深部開采；數(shù)值模擬

0 引 言

安慶銅礦是一座實(shí)行強(qiáng)化開采的大型新模式礦山，其1#主礦體采用高階段(120 m)大直徑深孔嗣后充填采礦法開采,分兩步驟回采，先采礦房，后采礦柱，礦房用尾砂膠結(jié)充填，礦柱用尾砂充填.首采區(qū)域位于-280～-385 m中段之間，開采礦體走向長(zhǎng)300 m，采場(chǎng)寬為 10～15 m，高 105～120 m，長(zhǎng)為礦體厚度，約30～40 m，該部分礦體目前已經(jīng)全部開采完畢，礦巖穩(wěn)定性良好.礦山開采范圍轉(zhuǎn)入-400 m以下中段，其中-400～-510 m中段西部區(qū)域礦體厚大，采場(chǎng)垂直礦體走向布置,長(zhǎng) 80～110 m，寬 15 m，高 114 m.該深部區(qū)域礦體開采特征具有單個(gè)采場(chǎng)采空區(qū)暴露面積大，開采礦石貯量大，出礦延時(shí)長(zhǎng)，巖體中水平構(gòu)造應(yīng)力作用明顯.為了保證深部礦體回采的安全，在-385～-400 m垂直方向上設(shè)置15 m厚的-400 m水平隔離礦柱.-400 m水平礦柱屬于重要的臨時(shí)采礦工程結(jié)構(gòu)體，與充填體、礦柱及上下盤圍巖共同相互作用，保持礦區(qū)的整體穩(wěn)定性.一旦水平礦柱發(fā)生突變失穩(wěn)，勢(shì)必造成深部采場(chǎng)地壓劇烈顯現(xiàn)，采空區(qū)上下盤圍巖急劇移動(dòng)變形，影響水平礦柱的安全回收，甚至可能誘發(fā)深部礦體開采的災(zāi)害性事故發(fā)生.因此分析-400 m水平礦柱在深部開采過(guò)程中的穩(wěn)定性情況，對(duì)礦山安全生產(chǎn)有重大的現(xiàn)實(shí)意義.本文利用FLAC3D程序?qū)ΦV體開采過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合礦圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析-400 m水平隔離礦柱的穩(wěn)定性問(wèn)題[1-4].

1 數(shù)值分析計(jì)算模型

1.1 幾何模型

采用三維快速拉格朗日連續(xù)分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)FLAC3D3.0做研究平臺(tái)[5-7]，模擬安慶銅礦1#礦體深部區(qū)域開采過(guò)程中-400 m隔離礦柱的應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律.基于FLAC3D對(duì)計(jì)算單元幾何特征參數(shù)的要求，以及穩(wěn)定性分析對(duì)介質(zhì)尺寸的考慮，建立研究對(duì)象的幾何模型，其過(guò)程是：

（1）對(duì)礦區(qū)坐標(biāo)進(jìn)行變換，設(shè)置能直觀反應(yīng)分析模型幾何特征的坐標(biāo)軸.坐標(biāo)變換后坐標(biāo)軸設(shè)置結(jié)果為：X軸垂直礦體走向布置，正方向從礦體上盤指向礦體下盤；Y軸沿礦體走向布置，正方向由礦體西至東；Z軸正方向與高程增加方向相同.

（2）根據(jù)地質(zhì)勘探線剖面圖、中段平面設(shè)計(jì)圖，構(gòu)建礦體幾何模型.在模型中，礦體采用10 m×15 m×10 m正六面體單元進(jìn)行離散；其相鄰圍巖單元按比例縮放，滿足礦體的邊界條件計(jì)算精度要求.

礦體幾何模型的范圍在3個(gè)坐標(biāo)方向依次為：垂直方向（Z軸）從-220～-620 m水平；沿礦體走向方向（Y軸）取0線為中心向兩側(cè)擴(kuò)展，全長(zhǎng)450 m；礦體傾向方向（X軸）以礦體為中心向上下盤擴(kuò)展，礦體寬度280 m.幾何模型總計(jì)35315個(gè)初始單元數(shù)，38868個(gè)初始節(jié)點(diǎn).安慶銅礦礦體計(jì)算幾何形態(tài)及劃分單元見(jiàn)圖1.

（3）對(duì)礦體模型進(jìn)行打包，以此為基礎(chǔ)向外發(fā)散，形成研究對(duì)象的幾何模型.整個(gè)計(jì)算幾何模型的范圍在3個(gè)坐標(biāo)方向依次為：垂直方向（Z軸）從40～-1020 m；X軸方向全長(zhǎng)880 m，Y軸全長(zhǎng)1500 m.幾何模型有186459個(gè)初始單元數(shù)，193332個(gè)初始節(jié)點(diǎn).整體幾何計(jì)算模型-400 m中段水平剖面圖如圖2.

1.2 地應(yīng)力場(chǎng)及模型邊界條件的確定

根據(jù)實(shí)測(cè)資料結(jié)果[8-9]，安慶銅礦地應(yīng)力的回歸方程如式（1）～式（3）所示：

圖1 安慶銅礦礦體計(jì)算幾何模型

圖2 -400 m中段平面計(jì)算幾何模型

礦區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，在-220 m以下區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力大于自重應(yīng)力；最大主應(yīng)力方向由NE到近EW向，自重應(yīng)力的大小隨深度增加近似線性增加.將模型頂部邊界設(shè)定為自由邊界，底部邊界施加垂直方向的位移約束，側(cè)面施加水平位移約束.模型垂直方向應(yīng)力由自重應(yīng)力作用形成，側(cè)面端面邊界分別施加地應(yīng)力水平應(yīng)力分量.

1.3 礦巖力學(xué)參數(shù)

礦體開采區(qū)域主要有4種巖體：大理巖、閃長(zhǎng)巖、矽卡巖和礦石，礦體上盤圍巖為角礫狀大理石，礦體下盤圍巖為矽卡巖石、蝕變閃長(zhǎng)巖.其中矽卡巖力學(xué)參數(shù)與閃長(zhǎng)巖相近，故在建模時(shí)將其歸于閃長(zhǎng)巖一類.

采場(chǎng)的充填體介質(zhì)有2種：①作為采場(chǎng)假底的高配比尾砂膠結(jié)充填體 (灰砂比為1∶4)；②礦柱采場(chǎng)的非膠結(jié)尾砂充填體.計(jì)算模型中各種介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)取值列于表1[10].

表1 安慶銅礦計(jì)算模型中各種介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

1.4 介質(zhì)力學(xué)模型與破壞準(zhǔn)則

圍巖、礦體是典型的地質(zhì)材料,本文將2種力學(xué)屬性不同的介質(zhì)，均視為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì).

礦巖和充填體均采用莫爾庫(kù)侖 (Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則[11]，如式（4）所示：

式 （4） 中：σ1，σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；c、Φ分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角.當(dāng)fs＞0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞.在計(jì)算模擬過(guò)程中，變形模式設(shè)置為大變形.

2 結(jié)果分析

（1）-400 m水平礦柱上部礦體回采后，礦柱水平面應(yīng)力和位移狀態(tài)見(jiàn)圖3.礦柱垂直位移為正，產(chǎn)生向上“鼓起”變形.垂直位移變形區(qū)域形態(tài)近似呈橢圓形分布，其長(zhǎng)軸與礦體走向近似成水平方向產(chǎn)出，長(zhǎng)度約為150 m，短軸約為80 m；可見(jiàn)水平礦柱垂直位移變形區(qū)域分布形態(tài)與其上部回采礦體形態(tài)相關(guān).垂直凸起變形區(qū)域最大位移值為0.9～1.29 cm，礦柱巖體未見(jiàn)塑性變形發(fā)展?fàn)顟B(tài).-400 m礦柱水平剖面上最小主應(yīng)力約為-17.00 MPa，與原巖地應(yīng)力相比，上部礦體回采區(qū)域所對(duì)應(yīng)的樓板巖體部分，形成明顯的最小主應(yīng)力降低區(qū)，其最小主應(yīng)力值為-13.00～-12.94 MPa，應(yīng)力釋放值約為4.00 MPa；水平礦柱上下盤圍巖等接觸處存在最小主應(yīng)力值集中現(xiàn)象，其最小主應(yīng)力值為-23.34～-23.00 MPa；最大主應(yīng)力在水平礦柱中存在明顯降低區(qū)，其圍巖的最大主應(yīng)力值為-3.00～-1.27MPa.與此同時(shí)，-400 m水平礦柱中并未產(chǎn)生“凸起”變形而出現(xiàn)拉應(yīng)力，但其最大主應(yīng)力降低明顯，有出現(xiàn)拉應(yīng)力的趨勢(shì).

圖3 －400 m中段上部礦體回采后-385～-400 m礦柱水平面應(yīng)力狀態(tài)

（2）-400～-510 m中段0至3線西部礦房回采后，水平礦柱水平面受力見(jiàn)圖4.-400 m水平礦柱下部礦房的礦體回采后，水平礦柱上產(chǎn)生的“凸起”位移相對(duì)減少，“凸起”現(xiàn)象有減弱，但位移變形方向未發(fā)生變化，垂直位移最大值為0.90～1.07cm；水平礦柱西部部分區(qū)域形成剪切塑性變形，未見(jiàn)塑性變形發(fā)展或貫通.此時(shí)水平礦柱中的最小主應(yīng)力形成降低區(qū)，與樓板上部礦體回采后相比，應(yīng)力降低區(qū)域范圍明顯減小.在樓板0線與1線間的巖體中，其最小主應(yīng)力原降低區(qū)變成應(yīng)力增加區(qū)域；-400 m水平礦柱上、下盤圍巖接觸處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最小主應(yīng)力值為-24.60～-24.00 MPa；在礦體走向的西部圍巖中，形成應(yīng)力降低區(qū)域，應(yīng)力值較原巖應(yīng)力減小3～4 MPa；-400 m樓板因下部東部礦房的開采，最小主應(yīng)力向上、下盤的圍巖中轉(zhuǎn)移集中，同時(shí)在開采區(qū)域所對(duì)應(yīng)的水平礦柱中其沿走向兩端出現(xiàn)明顯的應(yīng)力釋放；可見(jiàn)水平礦柱中最小主應(yīng)力由應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)變成應(yīng)力集中，趨近于原巖應(yīng)力值.-400 m樓板中最大主應(yīng)力降低區(qū)域進(jìn)一步向西部擴(kuò)大，應(yīng)力值為-2.00～-1.00 MPa；最大主應(yīng)力在采區(qū)頂板與上、下盤圍巖等接觸處存在升高區(qū)，其最大主應(yīng)力值為-12.10～-12.00 MPa；但-400 m水平礦柱中未出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài).

3 -400 m水平礦柱沉降位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

安慶銅礦-400 m水平礦柱沉降位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5.觀測(cè)點(diǎn)變形曲線是以監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)為橫坐標(biāo)，以每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年累計(jì)沉降變形值為縱坐標(biāo)繪制成的曲線見(jiàn)圖5[12].從2007年至2009年這3年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，-400 m水平礦柱巖體沉降變形趨勢(shì)大體相同，水平礦柱中也經(jīng)歷了由凸起向上垂直位移向下變形的過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)與數(shù)值分析變形結(jié)果相近.總體上-400 m水平礦柱變形位移值較小，樓板監(jiān)測(cè)變形穩(wěn)定性良好.

4 結(jié) 論

圖4 -400～-510 m中段西部礦房回采后-400 m水平礦柱應(yīng)力狀態(tài)

圖5 安慶銅礦-400 m水平礦柱沉降變形圖

（1）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，-400 m水平礦柱在其上部礦體開采后，因上部巖體開采卸載而產(chǎn)生垂直凸起位移，開采區(qū)域?qū)?yīng)的樓板中的最小主應(yīng)力減少，呈現(xiàn)應(yīng)力釋放效應(yīng)，其上部礦體開采擾動(dòng)未對(duì)水平礦柱穩(wěn)定性構(gòu)成影響.在水平礦柱下的西部厚大區(qū)域礦房開采后，樓板中的凸起垂直變形位移減弱，并有部分樓板發(fā)生向下變形位移；最小主應(yīng)力增大，應(yīng)力集中，該區(qū)域部分巖體發(fā)生塑性變形；同時(shí)應(yīng)力向樓板上下盤圍巖中轉(zhuǎn)移.樓板巖體穩(wěn)定性良好.

（2）數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)很相近，可見(jiàn)FLAC3D數(shù)值模擬分析結(jié)果在安慶銅礦-400 m水平礦柱穩(wěn)定性分析研究中還是可靠的.

（3）根據(jù)安慶銅礦深部礦體開采對(duì)-400 m水平礦柱擾動(dòng)規(guī)律的研究，建議礦山在后續(xù)深部開采中加強(qiáng)-400 m水平礦柱的變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力控制，以實(shí)現(xiàn)礦山后續(xù)的安全回采工作.

[1]劉道昆.高階段采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及回采工藝技術(shù)研究[J].有色金屬，2008,60(3):4-5.

[2]錢鳴高.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[3]趙興東.謙比希礦深部開采隔離礦柱穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(29):2619-2623.

[4]王文杰，任風(fēng)玉，周宗紅,等.夏甸金礦采礦方法過(guò)渡期臨時(shí)礦柱尺寸確定方法研究[J].中國(guó)礦業(yè),2007,16(4)：61-63.

[5]蔡嗣經(jīng)，張 棟，何 理.地震中尾礦庫(kù)液化失穩(wěn)機(jī)理及數(shù)值模擬研究[J].有色金屬科學(xué)與工程，2011(4):1-6.

[6]張友鋒,袁海平.FLAC3D在地震邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5):23-26.

[7]江文武,徐國(guó)元.復(fù)雜采礦條件下臨時(shí)水平礦柱穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2010(3):29-33.

[8]董 誠(chéng) ,王連捷，楊小聰，等.安慶銅礦地應(yīng)力測(cè)量[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2001(3):259-264.

[9]張子海.安慶銅礦的地應(yīng)力測(cè)量與研究[J].有色礦山，1996(6):16-20.

[10]楊小聰,陳忠輝.安慶銅礦開采過(guò)程的數(shù)值模擬[J].有色金屬,2002(2):82-87.

[11]蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[12]盧志剛，李杰平.基于空間數(shù)據(jù)挖掘城市地價(jià)時(shí)空分析[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（5）：75－79.

Stability analysis of-400 m level insulating pillar of deep excavation in Anqing copper mine

ZHANG You-feng1,ZHANG Yao-ping1,WANG Lin2

(1.School of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Anqing Copper Mine,Anqing 246131,China)

This paper studies the stability analysis of-400 m level insulating pillar of deep excavation of l#orebody of Anqing Copper Mine with FLAC3D.The results verify that the strain effect diminishes and bump vertical displacement deformation changes in the insulating pillarfor the unloading of upper ore-body mining.Due to disturbance of large and thick in-depth mining,stress concentration and parts of the plastic deformation are formed.Tension arch and downward displacement deformation change in the insulating pillar.The displacement deformation approximates conventional displacement deformation monitoring results of the insulating pillar.The overall stability of the insulating pillar in deep mining is good.

mining engineering;insulating pillar;deep mining;numerical simulation

TU452

A

1674-9669（2011）06-0062-06

2011-07-20

江西理工大學(xué)校級(jí)課題自然科學(xué)類資助項(xiàng)目（jxxj11152）

張友鋒（1979- ），男，講師，主要從事巖層控制與數(shù)值模擬方向研究，E-mail:honestzyf@sina.com.