趙迎貴 游 勛 岳國均 王春仁 劉祥鑫

(1.馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析

趙迎貴1游 勛1岳國均1王春仁1劉祥鑫2

(1.馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

針對(duì)某金礦空區(qū)群的遺留年代久遠(yuǎn)、礦巖不穩(wěn)固、殘留資源復(fù)雜等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其采空區(qū)內(nèi)局部高品位礦柱安全、高效、經(jīng)濟(jì)地回收，在經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查、試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合生產(chǎn)能力、殘礦回收率、施工難度等因素對(duì)礦柱、圍巖內(nèi)殘礦資源進(jìn)行回收方案設(shè)計(jì)。運(yùn)用FLAC3D反演分析殘礦資源回收方案的整個(gè)殘采作業(yè)步驟，在殘采區(qū)域毗鄰礦柱、頂?shù)装寮俺涮钊斯さV柱內(nèi)布置多組模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)并經(jīng)過開挖模擬運(yùn)算得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)殘采前后相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和塑性區(qū)指標(biāo)值，對(duì)比分析以評(píng)價(jià)殘采擾動(dòng)前后的采空區(qū)穩(wěn)定性，驗(yàn)證殘采活動(dòng)的安全可靠性。其評(píng)價(jià)分析方法和結(jié)論對(duì)該礦后續(xù)殘采案例及相似礦山具有一定的借鑒意義。

殘礦資源回收 數(shù)值模擬 采空區(qū)穩(wěn)定性

礦山隨著多年的開采，均會(huì)面臨保有儲(chǔ)量不足，深部資源回收存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等諸多困難[1]；為提高資源回收率、增加經(jīng)濟(jì)效益，大多需要對(duì)遺留的礦柱等殘礦資源進(jìn)行回采。由于礦柱是反映和決定采場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元，其結(jié)構(gòu)破壞必然會(huì)引發(fā)采場(chǎng)受力狀態(tài)的改變，甚至影響整個(gè)采空區(qū)群的穩(wěn)定性[2]。殘采前后采空區(qū)穩(wěn)定性的變化情況是決定礦柱回收可行性的關(guān)鍵所在。

礦柱回收造成采空區(qū)在礦房開采結(jié)束后形成的受力平衡被打破，再經(jīng)過巖體應(yīng)力不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整的復(fù)雜變化過程以尋求新的受力平衡。在原有平衡形成后圍巖不同程度受到損傷及破壞，其在新平衡形成過程中因受到應(yīng)力、應(yīng)變、位移變化造成再次破壞及損傷的程度是影響殘采采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素。對(duì)其整個(gè)過程中應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的變化進(jìn)行數(shù)值模擬，能有效地解決其巖體力學(xué)行為問題，為殘采采空區(qū)穩(wěn)定性分析及礦柱安全回采提供一定的依據(jù)。FLAC3D軟件適用于解決巖土類材料及構(gòu)筑于巖土材料中的工程結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力-應(yīng)變作用等非線性動(dòng)力學(xué)問題，也能很好地模擬巖體自重作用下的工程開挖靜力計(jì)算問題[3-5]。本研究通過數(shù)值模擬對(duì)某金礦獨(dú)立空區(qū)內(nèi)局部礦柱殘采前后采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析對(duì)比，探求其圍巖和礦柱的應(yīng)力變化規(guī)律、位移變化情況、塑性區(qū)破壞特征以分析采空區(qū)穩(wěn)定性的變化情況，給礦柱回收的可行性提供依據(jù)。

1 工程概況

某金礦為韌性剪切帶型金礦床，礦體主要賦存于千糜巖及其頂?shù)撞康乃榱褞r帶內(nèi)。礦床的容礦巖性主要有：淺粒巖、黑云斜長變粒巖，其次是千糜巖與石英脈等。礦體為單層緩傾斜礦體，受F1、F2韌性剪切帶控制，傾角20°～30°，無上下空間關(guān)系的采場(chǎng)或空區(qū)存在。區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，節(jié)理較為發(fā)育，無暗河、溶洞等惡劣地質(zhì)構(gòu)造，工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。直接千糜巖頂板多為碎屑結(jié)構(gòu)，完整性差，但厚度小，上部頂板為完整性好的變粒巖。殘采方案主要對(duì)XJ-6獨(dú)立空區(qū)內(nèi)3個(gè)礦柱進(jìn)行回收。它們互為相鄰且規(guī)格相同，為3 m×3 m，礦柱間距8 m，礦層厚度2 m，平均品位超過120 g/t，金屬量大于10 800 g；按現(xiàn)有價(jià)格估算近350萬元，具有極高的回收價(jià)值。獨(dú)立空區(qū)周邊采空區(qū)賦存狀況相對(duì)簡單，但千糜巖的大量賦存造成采空區(qū)內(nèi)部分礦柱開裂、片幫，頂板片落、冒頂?shù)葷撛谖ｋU(xiǎn)。

礦柱具有分布零散、礦量少、賦存情況復(fù)雜、回采安全性差等特點(diǎn)，因此，其回收方法常常不會(huì)過于單一，需要考慮多種方法結(jié)合進(jìn)行回收[6]。常用的回收方法有常規(guī)采礦方法、人工礦柱替代法、充填法等。因早期在回收區(qū)域利用錨桿加固等措施對(duì)頂板進(jìn)行過處理，為經(jīng)濟(jì)、高效、安全的回收礦柱，擬采用人工礦柱替代法于回采后暴露面的中心位置設(shè)置一個(gè)3 m×3 m的人工礦柱(灰砂比1∶4的人工混凝土柱)進(jìn)行回收。

2 數(shù)值計(jì)算模型及模擬方案

2.1 建立模型

在地下巖土工程數(shù)模計(jì)算分析中，模型合理規(guī)格的選取至關(guān)重要，直接影響到計(jì)算誤差、繁雜程度及對(duì)計(jì)算設(shè)備的需求，開挖造成的影響范圍通常取開挖半徑的3～5倍[7]。模型以沿礦體走向?yàn)閄軸，垂直走向?yàn)閅軸，鉛垂線方向?yàn)閆軸，規(guī)格90 m×100 m×55 m。模擬的核心在于掌握采空區(qū)的礦柱、頂?shù)装逶诓糠值V柱回收擾動(dòng)前后因地應(yīng)力變化而造成的變形、破壞等狀態(tài)，所以應(yīng)對(duì)模型的不同部分選取不同網(wǎng)格劃分精度及方式以提高其模擬計(jì)算精度。對(duì)上盤、下盤及四周圍巖采取漸變式劃分，越接近重點(diǎn)分析部分網(wǎng)格越密，精度均為4；對(duì)礦房、礦柱、人工礦柱采取漸均勻式劃分，精度分別為2、1、1；模型共有單元數(shù)150 891個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)26 517個(gè)，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 數(shù)值計(jì)算模型剖面

地下巖土工程的開挖會(huì)擾動(dòng)原巖應(yīng)力場(chǎng)而引起應(yīng)力和位移發(fā)生變化，數(shù)值模擬計(jì)算過程中，通常需要對(duì)模型施加相應(yīng)的應(yīng)力及位移邊界條件。模擬過程采取結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力及巖體自重計(jì)算原巖應(yīng)力場(chǎng)。模型頂部距離地表150 m，橫向應(yīng)力σH=4.23～6.196 MPa，豎向應(yīng)力σV=3.1 MPa，測(cè)壓系數(shù)λ=1.4～2。其各個(gè)表面上的應(yīng)力邊界條件：頂?shù)酌鎽?yīng)力邊界條件分別為-4.23 MPa、-6.196 MPa，變化梯度為0.023 MPa/m；四周側(cè)面應(yīng)力為-3.1 MPa,變化梯度為0.014 MPa/m。各表面的位移邊界條件：底面采取全部約束，四周環(huán)側(cè)面僅施加水平約束，頂面不進(jìn)行約束[8-9]。模型材料變粒巖等屬于彈塑性材料，適用于摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，相應(yīng)材料物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)折減后如表1所示。

表1 計(jì)算模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬方案

礦柱回收數(shù)值模擬方案：第一步，回采礦房；第二步，充填人工礦柱；第三步，礦柱回收。每步均需進(jìn)行迭代運(yùn)算，下一步在上一步的計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行。提取第一步和第三步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力分析

為揭示回采礦房及礦柱回收過程中，臨近回收區(qū)附近保安礦柱內(nèi)部正應(yīng)力的時(shí)空變化規(guī)律，分別在最大跨度面兩端礦柱(測(cè)點(diǎn)1、2)、回采區(qū)域的礦房橫斷面兩端礦柱(測(cè)點(diǎn)3、4)及人工礦柱(測(cè)點(diǎn)5)的中心點(diǎn)共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果分別見圖3、圖4。對(duì)比分析可知，正規(guī)回采后及殘采后各礦柱Z方向應(yīng)力都增加至一峰值后保持穩(wěn)定，礦柱處于新的應(yīng)力平衡狀態(tài)；殘采后各礦柱應(yīng)力峰值均明顯大于正規(guī)回采后，增量約5 MPa。測(cè)點(diǎn)5的應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，表明人工柱支撐下殘采區(qū)域處于相對(duì)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，其峰值為6.78 MPa。

圖3 正規(guī)回采后各測(cè)點(diǎn)Z方向應(yīng)力變化規(guī)律

圖4 殘采后各測(cè)點(diǎn)Z方向應(yīng)力變化規(guī)律

3.2 位移分析

3.2.1 礦柱位移(Y方向)變化規(guī)律

水平方向位移是影響礦柱穩(wěn)定的重要因素，過量的位移會(huì)導(dǎo)致礦柱片幫、開裂而造成失穩(wěn)[10-11]。為探索回收區(qū)域附近礦柱的水平位移時(shí)空變化規(guī)律，分別在最大跨度面兩端礦柱(測(cè)點(diǎn)1、2)、回采區(qū)域的礦房橫斷面兩端礦柱(測(cè)點(diǎn)3、4)及人工礦柱(測(cè)點(diǎn)5)的邊緣共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果分別見圖5、圖6。正規(guī)回采后各礦柱在位移變化穩(wěn)定后均為Y軸負(fù)方向位移，測(cè)點(diǎn)2、4處于礦房中部，位移變化值較大，約為23 mm。殘采造成兩側(cè)礦柱水平位移背向回采區(qū)域遞增，測(cè)點(diǎn)1向Y軸正方向增量約3 mm，測(cè)點(diǎn)2、4向y軸負(fù)方向增量約22 mm。反復(fù)的異向位移表明，礦柱受到相應(yīng)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，對(duì)礦柱的穩(wěn)定性具有較大的影響，異向變化增量過大會(huì)導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)。

圖5 正規(guī)回采后各測(cè)點(diǎn)Y方向位移變化規(guī)律

圖6 殘采后各測(cè)點(diǎn)Y方向位移變化規(guī)律

3.2.2 頂板位移(Z方向)變化規(guī)律

頂板由于受到拉應(yīng)力及擠壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生Z方向的位移變化，出現(xiàn)沉降或局部拱起，從而導(dǎo)致剪切破壞致頂板失穩(wěn)。為便于觀測(cè)頂板的沉降位移變化時(shí)空規(guī)律，共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，回收礦柱與頂板接觸中心(測(cè)點(diǎn)1、2、3)、回采區(qū)域頂板中心點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)4)及人工礦柱與頂板接觸中心點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)5)。監(jiān)測(cè)結(jié)果分別見圖7、圖8。正規(guī)回采后頂板沉降量最大為210 mm，殘采擾動(dòng)后給頂板帶來較大的沉降變化。因部分礦柱回采及人工礦柱架設(shè)導(dǎo)致回采區(qū)局部頂板拉應(yīng)力狀態(tài)的變化，產(chǎn)生隆起效應(yīng)，頂板最大沉降量減少至72 mm左右，人工礦柱接觸頂板沉降量125 mm左右。圖中變化趨勢(shì)表明，直接頂板千糜巖在一定的拉伸剪切破壞作用下會(huì)產(chǎn)生較大的塑性形變?？傮w沉降位移的穩(wěn)定表明，殘采后頂板將處于新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，不會(huì)給頂板造成大的破壞。

圖7 正規(guī)回采后各測(cè)點(diǎn)Z方向位移變化規(guī)律

圖8 殘采后各測(cè)點(diǎn)Z方向位移變化規(guī)律

3.3 塑性區(qū)分析

當(dāng)巖體進(jìn)入了塑性形變狀態(tài)以后，它的強(qiáng)度及承載能力均會(huì)發(fā)生很大程度的降低[12]。塑性區(qū)的大小、貫通程度是判斷空區(qū)及圍巖為穩(wěn)定性的重要標(biāo)志。塑性區(qū)類型有，歷史上剪切破壞痕跡(shear-p)、拉伸破壞痕跡(tension-p)、剪切拉伸(shear-p tension-n shear-n tension-p)多重破壞重合4種形式。從圖9～圖12對(duì)比分析可知，殘采后頂板、底板剪切拉伸多重破壞區(qū)域擴(kuò)大并局部貫通，但厚度不大，破壞體積較小。人工礦柱及圍巖等塑性區(qū)分布較小，無貫通狀況。綜合分析可知，殘采會(huì)造成回采區(qū)域內(nèi)小范圍的頂板片落、冒落現(xiàn)象，不會(huì)造成大的失穩(wěn)狀況。

4 結(jié) 論

(1)2次回采活動(dòng)的擾動(dòng)，均迫使原有的地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)正規(guī)回采活動(dòng)破壞原始地應(yīng)力平衡后，采空區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)殘采后，應(yīng)力變化造成了采空區(qū)的頂板、礦柱、圍巖等產(chǎn)生了的位移、塑性形變等效應(yīng)，對(duì)采空區(qū)會(huì)造成了一定程度的破壞；應(yīng)力、位移等變化趨勢(shì)表明，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)形成過程中，采空區(qū)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖9 正規(guī)回采后頂板塑性區(qū)分布規(guī)律

圖10 殘采后頂板塑性區(qū)分布規(guī)律

圖11 正規(guī)回采后礦房塑性區(qū)分布規(guī)律

圖12 殘采后礦房塑性區(qū)分布規(guī)律

綜合對(duì)比分析認(rèn)為，該殘采方案具有一定的可行性，將為該金礦后續(xù)殘礦回采的方法提供參照，取得安全、高效、經(jīng)濟(jì)的殘采效益。對(duì)相似礦山也具有借鑒意義。

[1] 王清來,許振華,朱利平,等.復(fù)雜采空區(qū)條件下殘礦回收與采區(qū)穩(wěn)定性的有限元數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山,2010(7):37-40. Wang Qinglai,Xu Zhenhua,Zhu Liping，et al.Finite element simulation study on stoping of remnant ores and stability for complicated mine area[J].Metal Mine，2010(7):37-40.

[2] 趙 奎,任育林,金解放,等.留礦法礦柱回采穩(wěn)定性計(jì)算方法及其工程應(yīng)用[J].有色金屬：礦山部分,2005,57(2):12-13. Zhao Kui,Ren Yulin,Jin Jiefang.Shrinkage method pillar recovery stability computing method and engineering application[J].Nonferrous Metals:Mining Section,2005,57(2):12-13.

[3] 李 圍.隧道及地下工程FLAC分析方法[M].北京:中國水利出版社，2009. Li Wei.Tunnel and Underground Project FLAC Analysis Method[M].Beijing:China Water Power Press，2009.

[4] 李曉霖.地鐵誘發(fā)振動(dòng)對(duì)地面及地上結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2003. Li Xiaolin.Study on Influence of Vibration Induced by Subway Train on Ground and Ground Structures[D].Beijing:Beijing University of Technology，2003.

[5] 李培觀,譚志祥,王 磊,等.FLAC在老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].煤炭安全,2009(10):11-14. Li Peiguan,Tan Zhixiang,Wang Lei,et al.Evaluation on stability of building foundation over old-goaf with FLAC[J].Safety in Coal Mines，2009(10):11-14.

[6] 董群柱.聯(lián)合采礦法在殘礦回采中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].黃金,2004,25(2):20-22. Dong Qunzhu.The application and practice of combined mining method to the stoping of residual ore[J].Gold，2004,25(2):20-22.

[7] 陳希孺.近代回歸分析方法及運(yùn)用[M].合肥:安徽教育出版社,1987. Chen Xiru.The Method and Application of Modern Regression[M].Hefei:Anhui Education Publishing House，1987.

[8] 李兵磊,高永濤,于正興,等.新建樓下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山,2011(6):36-38. Li Binlei,Gao Yongtao,Yu Zhengxing,et al.Numerical analysis of stability of mined-out area underlying a new building[J].Metal Mine，2011(6):36-38.

[9] 張廣偉,王樂杰,方 軍,等.規(guī)劃建設(shè)區(qū)采動(dòng)影響分析方法探討[J].金屬礦山,2013(7):31-34. Zhang Guangwei Wang Lejie,Fang Jun，et al.Discussion on analysis method of influence on planning- construction area by mining[J].Metal Mine，2013(7):31-34.

[10] 游 勛.金鑫金礦殘礦資源回收方案優(yōu)選及其安全性評(píng)價(jià)[D].贛州:江西理工大學(xué),2012. You Xun.Residual Ore Recovery Scheme Optimization and Safety Evaluation for Jinxin Gold Mines[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology,2012.

[11] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007. Peng Wenbin.Practical Tutorial of FLAC3D[M].Beijing:Machinery Industry Press,2007.

[12] 饒運(yùn)章,陳 輝,肖廣哲,等.基于FLAC3D數(shù)值模擬采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].有色金屬科學(xué)與工程,2011,2(2):43-47. Rao Yunzhang,Chen Hui,Xiao Guangzhe，et al.On the design of stope bottom structures based on FLAC 3D numerical simulation[J].Nonferrous Metals Science and Engineering，2011,2(2):43-47.

(責(zé)任編輯 石海林)

Stability Analysis of Ore Pillar Recovery Based on FLAC3D

Zhao Yinggui1You Xun1Yue Guojun1Wang Chunren1Liu Xiangxin2

(1.MagangGroupDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Maanshan243000,China；2.InstituteofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China)

The gob group in a gold mine owns the characteristics of age-old goaf,unstable mine rock,and complicated residual resources.In order to efficiently and economically realize recovery of high grade residual ore pillars in safety in goaf,the scheme design for recovery of ore pillars and residual ores within wall rocks was given,based on on-site survey,tests and economic analysis and combined with production capacity,recovery rate of residual ore,and construction difficulties etc.Flac 3D inversion is adopted to analyze the whole procedure of the residual ore recovery scheme,and several sets of simulative monitor points are arranged within the adjacent pillars,roof and floor and artificial pillars in the area of residual ore.Some indexes of stress,strain and plastic zone before and after recovery of residual ore are obtained by numerical simulation.Through the comparative analysis,the gob stability before and after disturbance resulting from residual ore recovery is evaluated to verify the reliability of the mining activity.The evaluation method and conclusions have reference value to following case of residual ore recovery and the similar mines.

Recovery of residual ore，Numerical simulation，Gob stability

2014-05-11

趙迎貴(1980—)，男，工程師。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-019-05