左國義，劉洪興，張吉勇

·采 選·

基于FLAC3D數(shù)值模擬的某鎢礦緩傾斜礦體采場礦柱穩(wěn)定性研究

左國義1，劉洪興2，張吉勇2

（1.江西滸坑鎢業(yè)有限公司，江西吉安 343205；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州 341000）

針對采用全面采礦法的礦山，其采場礦柱的位置與尺寸留設(shè)一直是礦山安全高效生產(chǎn)關(guān)注的問題。通過對某鎢礦緩傾斜礦脈采場回采過程中的礦柱留設(shè)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，采用FLAC3D三維有限元數(shù)值模擬軟件建立采空區(qū)、圍巖單元模型。根據(jù)采場周圍應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果顯示，整個采空區(qū)頂板沉降均勻，頂板圍巖位移呈拱形分布，開挖區(qū)間中部位移值略大于兩側(cè)，采場布置3排礦柱可以保障整個采空區(qū)的穩(wěn)定性，為礦山采場開挖及采空區(qū)穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

緩傾斜礦體；回采；礦柱；數(shù)值模擬

某鎢礦山的礦脈傾角較小，礦體傾角小于55°，礦山采用全面采礦法進(jìn)行開采，但采用全面采礦法開采時(shí)，采場的礦柱一般都是憑現(xiàn)場的工程經(jīng)驗(yàn)來留設(shè)，礦柱的位置和尺寸的確定都沒有理論技術(shù)的支撐，因此容易導(dǎo)致采場的頂板有時(shí)會產(chǎn)生冒落和礦柱巖爆的現(xiàn)象產(chǎn)生［1～3］，給礦山的安全、高效開采帶來極大的不便。

為了研究采場開挖及采空區(qū)穩(wěn)定性情況，確定礦柱布置間距與采空區(qū)穩(wěn)定性的關(guān)系，將采用數(shù)值模擬的方法，對礦山＋40 m中段礦體采場開挖及采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬研究［4～7］。本文采用FLAC3D三維有限元數(shù)值模擬軟件建立采空區(qū)、圍巖單元模型，并且進(jìn)行運(yùn)算。通過分析采空區(qū)周圍不同水平、不同剖面的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖、剪應(yīng)變增量云圖及礦柱位移圖，研究采場周圍應(yīng)力、應(yīng)變情況，為礦山采場開挖及采空區(qū)穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1確定材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山地質(zhì)資料，礦脈是由塊狀含礦石英脈、條帶狀含礦石英脈及蝕變花崗巖組成的復(fù)合狀脈體，圍巖主要為花崗巖，根據(jù)有關(guān)資料［8］和室內(nèi)巖石力學(xué)測試結(jié)果，材料的具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

1.2模型建立

本次數(shù)值計(jì)算，模擬了礦山＋40 m中段的礦脈回采，礦脈傾角為40°，布置3排礦柱回采時(shí)采場的穩(wěn)定性。模型分為空區(qū)、圍巖和礦柱三大部分，采場斜長為100 m，寬度為40 m，其中礦柱大小設(shè)為3 m ×3.5 m。由于地下開挖會對周圍一定范圍內(nèi)有影響，因此，整個模型的長、寬、高為采場長、寬、高的3倍。計(jì)算模型如圖1所示［9］，礦柱分布如圖2所示。

圖1 40°傾角礦脈采場模型

圖2 采空區(qū)3排礦柱分布圖

圖3 40°傾角采空區(qū)3排礦柱塑性區(qū)分布

2 計(jì)算結(jié)果與分析

在計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，對計(jì)算后的模型進(jìn)行垂直于Y軸（y＝134）的二維剖切，研究采空區(qū)不同部位的塑性區(qū)分布規(guī)律，如圖3所示。

圖4 礦柱的最小主應(yīng)力云圖

圖5 礦柱的最大主應(yīng)力云圖

圖6 礦柱的剪應(yīng)變增量云圖

圖7 礦柱的垂直位移云圖

從圖3可以看出，在礦脈傾角為40°時(shí)，布置3排礦柱，整個采空區(qū)只在邊緣有少量塑性區(qū)分布，采空區(qū)的頂板、底板幾乎不存在塑性區(qū)分布。初步考慮在礦脈傾角為40°時(shí)，設(shè)計(jì)布置3排礦柱。為進(jìn)一步確定布置3排礦柱是否能保證采空區(qū)的穩(wěn)定性，通過分析采空區(qū)剖面（垂直y軸）及每排礦柱剖面（垂直x軸）的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力云圖、剪應(yīng)變增量云圖及礦柱垂直位移云圖，加以驗(yàn)證。其應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖如圖4至圖19所示。

圖8 第1排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最小主應(yīng)力云圖

圖9 第1排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最大主應(yīng)力云圖

圖10 第1排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的剪應(yīng)變增量云圖

圖11 第1排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的垂直位移云圖

圖12 第2排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最小主應(yīng)力云圖

圖13 第2排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最大主應(yīng)力云圖

圖14 第2排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的剪應(yīng)變增量云圖

圖16 第3排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最小主應(yīng)力云圖

圖17 第3排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的最大主應(yīng)力云圖

圖18 第3排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的剪應(yīng)變增量云圖

圖19 第3排礦柱剖面及周圍采空區(qū)的垂直位移云圖

通過以上采空區(qū)的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)變增量及垂直位移云圖分析也可得出：3排礦柱承受的最大壓應(yīng)力均在5 MPa左右，每個礦柱受力均勻不存在明顯的應(yīng)力集中；在第1排礦柱的頂板附近區(qū)域及3排礦柱底板附近區(qū)域都存在較明顯的張拉應(yīng)力集中，最大張拉應(yīng)力為5 MPa左右；采空區(qū)頂板、底板及礦柱剪應(yīng)變增量，較四周圍巖剪應(yīng)變增量較小，但采空區(qū)四周圍巖剪應(yīng)變增量絕對值最大值也僅為5.37×10－3；整個采空區(qū)頂板沉降較均勻，沒有出現(xiàn)整體或局部較大的沉降，頂板圍巖沉降最大值僅6.0 mm。綜上所述，在礦脈傾角為40°時(shí)，布置3排礦柱，可以保障整個采空區(qū)的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過對某鎢礦＋40 m中段緩傾斜礦體的礦脈回采進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析、對比，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

1.模型規(guī)整，應(yīng)力加載條件以及邊界條件約束適當(dāng)，采場初始應(yīng)力模型并未出現(xiàn)應(yīng)力突變的等異常情況，與實(shí)際情況大體一致。

2.通過對采空區(qū)圍巖、頂板、底板與礦柱的應(yīng)力分布情況及變化規(guī)律進(jìn)展分析，礦柱與上下圍巖接觸部位應(yīng)力值較大，是易發(fā)生拉伸與壓縮破壞的脆弱部分；采空區(qū)四周圍巖，是易發(fā)生剪切破壞的脆弱部分。

3.整個采空區(qū)頂板沉降均勻，頂板圍巖位移呈拱形分布，開挖區(qū)間中部位移值略大于兩側(cè)。

4.礦脈傾角40°時(shí)，采場布置3排礦柱（3 m× 3.5 m）可以保障整個采空區(qū)的穩(wěn)定性，為礦山安全、高效和充分地回收地下資源提供參考價(jià)值。

［1］ 蔡美峰.金屬礦山采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化與地壓控制——理論與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］ 王慶軍，郭樹林，王軍民，等.全面采礦法采場的礦柱回采［J］.黃金，2006，27（6）：21－23.

［3］ 李堅(jiān)玲.全面法采場礦柱穩(wěn)定性及影響因素敏感性分析［J］.有色金屬（礦山部分），2010，62（5）：6－8.

［4］ 解世俊.金屬礦床地下開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

［5］ 張耀平，曹平，袁海平，等.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（2）：233－238.

［6］ 王永奇，戴兵.采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.采礦技術(shù)，2014，（4）：33－35.

［7］ 劉杰，萬文，趙延林.緩傾斜中厚礦體采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.礦業(yè)工程研究，2011，（4）：44－48.

［8］ 何維全，吳賢振，賴長順，等.下壟鎢礦左拔礦區(qū)圍巖破碎及礦脈密集采場回采技術(shù)研究［J］.中國鎢業(yè)，2010，25（6）：12－14.

［9］ 吳賢振，王曉軍，趙奎，等.基于3D－σ數(shù)值模擬的某鎢礦地壓活動區(qū)資源回收方案研究［J］.中國鎢業(yè)，2008，23（3）：7－9.

Study on the Stability of Ore Pillar in a Tungsten Gently Inclined Ore Body by FLAC3DNum erical Sim ulation

ZUO Guo-yi1，LIU Hong-xing2，ZHANG Ji-yong2
（1.Jiangxi Hukeng Tungsten Industry Co.，Ltd.，Ji’an 343205，China；2.China School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

Aiming at the breasting method of mine，the stope pillar of the position and size of the design has been concern ofmine safety，production problems.Under the numerical simulation study of ore pillar setting in mining of a tungsten gently inclined ore body，using FLAC3D3D finite element numerical simulation software to establish the model of goaf and surrounding rock.According to themining field around should stress and strain calculation results，it show that the whole of the gob roof uniform settlement，displacement of surrounding rock of roof was vaulted distribution，the value is slightly larger than that on both sides of themiddle of the range displacement of excavation，mining field arrangement of three rows of pillars can guarantee the stability of the gob area，which provides scientific basis formine stope excavation and goaf stability.

gently inclined ore body；mining；ore pillar；numerical simulation

TD322＋.1

：A

：1003－5540（2016）06－0001－05

2016－10－20

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20132BBG70021）

左國義（1967－），男，工程師，主要從事采礦技術(shù)與爆破工程方面的研究工作。