羅黎明

（江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

對于地下礦山而言，采場穩(wěn)定與否是礦山持續(xù)高效開采的關鍵，直接關系到整個礦山的安全發(fā)展［1-4］，特別是在深部采礦中，每一步開挖都會引起應力的積聚和釋放，容易造成采場的冒頂和片幫。因此，開展地下礦山采場穩(wěn)定性分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。

隨著巖石力學理論以及有限元分析軟件技術的發(fā)展，運用數(shù)值模擬手段分析采場穩(wěn)定性已經是一種成熟有效的方法［5-8］，在各類巖體工程力學分析中得到廣泛應用。劉曉明［9］采用Phase2對上向水平分層充填回采的整個過程進行了分步模擬，得到回采過程中采場頂?shù)装鍛拔灰齐S時間的變化規(guī)律，并對不同圍巖地質狀況下采場分層回采結果進行了研究；李興國［10］運用數(shù)值分析手段對露坑聯(lián)合開采的采場進行了穩(wěn)定性分析，得到采場圍巖的應力分布、位移變化規(guī)律及變形特征；王新民［11］運用ANSYS軟件對典型帶狀礦體的回采采場穩(wěn)定性進行了研究分析，同時在充分結合成本、效率的條件下實現(xiàn)了采場結構參數(shù)優(yōu)化。本文運用FLAC3D軟件對云南某礦自然條件下和錨桿支護條件下采場的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬對比分析，以驗證錨桿支護作為頂板穩(wěn)定性控制措施的可行性，同時為回采礦體時采場結構尺寸設計提供依據，以期提高地下礦山生產的安全性。

2 工程概況

云南某礦是大型錫銅多金屬礦床，埋深偏大，品位偏低，主體為緩傾斜至傾斜的薄至中厚礦體，屬于典型的大型貧礦。其賦存于花崗巖內蝕變帶中，蝕變帶走向南北，傾向西，走向長1200m、寬350～690m，賦存標高850～1900m之間。礦種以錫銅礦化為主，局部具鎢礦化。礦體產于花崗巖與大理巖接觸界面以內15～60m的花崗巖內蝕變帶中，礦體主要形態(tài)是脈狀，礦脈以近東西向產出，大多傾向北，傾角30～60°之間，礦脈寬度為0.4～1.5m。礦區(qū)地層巖性總體較單一，主要以堅硬厚大的碳酸鹽巖及花崗巖為主，巖體穩(wěn)較固，礦體頂?shù)装鍘r層抗壓強度高，穩(wěn)固性較好。礦體受花崗巖表面形態(tài)的控制，多產于花崗巖接觸帶產狀陡緩變化部位，呈似層狀、透鏡狀產出，以錫銅礦化為主，礦石類型主要有矽卡巖硫化礦、致密塊狀硫化礦。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型構建

精準的數(shù)值計算模型是分析結果可靠的前提。為準確構建地下采場數(shù)值分析模型，充分反映現(xiàn)實采場的應力應變特征，掌握其回采過程中的穩(wěn)定性狀態(tài)，根據采礦方案設計中采場的二維斷面圖以及地表等高線，利用3Dmine、MIDAS/GTS等三維可視化軟件構建地表及地下采場的三維實體模型，最后根據MIDAS/GTS和FLAC3D組織網格模型的數(shù)據結構特點，轉化得到FLAC3D中三維網格分析計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算三維網格模型

3.2 礦巖物理力學參數(shù)

為準確獲取研究區(qū)域圍巖的巖石力學參數(shù)，確保數(shù)值分析結果可靠，在室內巖石力學實驗的基礎上，結合現(xiàn)場工程地質調查和巖體質量評價結果，對室內實驗的巖石力學結果進行了折減處理，具體結果如表1所示。

表1 礦巖物理力學參數(shù)

4 結果分析

4.1 自然條件下數(shù)值模擬方案及結果分析

根據現(xiàn)場工程地質調查和生產實際情況，對采場的極限暴露面積進行了初步的估計，并設計了三種數(shù)值模擬方案，模擬方案如表2所示。

表2 自然條件下采場極限暴露面積模擬方案

由于三維有限元數(shù)值計算結果給出的信息量非常大，本次模擬主要從最大主應力應力、最小主應力、位移及塑性區(qū)分布情況四個方面進行分析，模擬結果統(tǒng)計如表3所示。

表3 自然條件下數(shù)值模擬結果

從表3可知，方案一及方案二條件下，不管是采場頂板所受的最大壓應力還是其最大拉應力，均在巖體的強度范圍內，且塑性區(qū)較為零星，沒有貫通，表明當采場頂板暴露面積小于400m2時，采場頂板屬于穩(wěn)定狀態(tài)；而方案三，當采場頂板暴露面積增加至500m2時，其頂板所受所受最大壓應力為77.11MPa，最大拉應力達到8.98MPa，均超過了圍巖的強度范圍，并且圍巖塑性區(qū)較多呈貫通狀，說明此時采場頂板屬于不穩(wěn)定狀態(tài)故可判定自然條件下采場的極限暴露面積為400m2。

4.2 錨桿支護條件下數(shù)值模擬方案及結果分析

為了進行對比分析，根據自然條件下（無任何支護）采場極限暴露面積的模擬結果，對在有錨桿支護的條件下，采場的極限暴露面積進行模擬計算，模擬方案及錨桿參數(shù)設置分別如表4和表5所示。

表4 錨桿支護條件下采場極限暴露面積模擬方案

表5 錨桿主要參數(shù)

其中：emod——彈性模量，E； pretension——錨桿自由段施加的預緊力，kN；

gr_k——單位長度上水泥漿剛度kg[kN/m2]；gr_per——水泥漿外圈周長，pg[m]；gr_coh——單位長度上水泥漿的粘結力cg[kN/m]； xcarea——橫截面積，A[m2]。

錨桿支護采用垂直頂板布置方式，布設間距為5m*4m，其他參數(shù)指標如表5所示。方案五錨桿支護示意圖如圖2所示：

圖2 錨桿支護示意圖

為了與自然條件下采場模擬對比及進行錨桿支護作用下采場穩(wěn)定性分析，主要統(tǒng)計采場開挖后采場的位移，所受最大主應力及最小主應力等相關模擬結果值及塑性區(qū)分布情況，錨桿支護下數(shù)值模擬結果如表6所示。

表6 錨桿支護下數(shù)值模擬結果

由表6可得，方案四中采場的最大拉應力為4.911MPa，而最大壓應力為50.611MPa，均沒有超過頂板圍巖的抗拉、抗壓強度，且整體位移量較小，塑性區(qū)也較少，表明采場頂板暴露面積為500m2時是穩(wěn)定的；當采場頂板暴露面積增加至600m2時，采場頂板所受的最大壓、拉應力均有所增大，雖然最大壓應力仍小于抗壓強度76.1MPa，但是采場頂板所受的最大拉應力已經基本達到臨界抗壓強度，表明此時采場臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當采場頂板暴露面積達到700m2時，頂板巖體的最大壓應力及最大拉應力均超過強度范圍，并且塑性區(qū)已經貫通，表明采場處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，根據以上數(shù)值模擬結果，在采用錨桿支護的情況下采場的極限暴露面積為600m2。

同時，對比分析方案三和方案四可得，采用錨桿支護采場后，采場頂板所受最大壓應力由未支護的77.11MPa降至50.61MPa，采場頂板所受最大拉應力由未支護的8.98MPa減小為4.91MPa，頂板的豎向下沉量從未支護的 22.13mm 減小到 14.12mm，且塑性區(qū)明顯減少，由未支護的貫通變?yōu)椴回炌āＵf明采用錨桿支護作為頂板穩(wěn)定性控制措施，能夠減小頂板壓力，控制頂板位移變形和巖體冒落。

5 結論

（1）充分利用3Dmine、MIDAS/GTS及FLAC3D軟件的建模優(yōu)勢，構建了貼近實際的地表及地下采場三維實體模型，為地下礦山采場穩(wěn)定性研究提供了模型基礎。

（2）運用FLAC3D軟件對無支護及錨桿支護兩種工況下開挖采場的穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析研究，得到自然條件下（無支護）采場的極限暴露面積為400m2，錨桿支護條件下采場的極限暴露面積為600m2；錨桿支護能夠有效的降低采場圍巖所受的壓、拉應力，控制圍巖變形，是控制圍巖穩(wěn)定、保障地下礦山安全生產的有力措施。

（3）錨桿支護只是采場頂板穩(wěn)定控制的措施之一，地下工程巖體情況復雜多變，不同的工程情況應根據現(xiàn)場實際進行合理的方案選擇。