盤區上盤殘礦回采頂板安全厚度的研究

黃 敏，唐紹輝，吳亞斌

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

1 工程概況

目前某礦山殘礦回采對象主要為采場頂底柱、四周為充填體的礦柱采場以及零星礦體。Ⅲ號礦體盤區上盤殘礦地段是矽卡巖含銅鐵礦石的殘采采場，采場面積約500 m2，礦石品位較高，具有極大的回收價值。

殘礦回收應確保回采的安全性，并制定切實可行的技術方案，而礦山通常依靠現場經驗來確定回采方式，具有一定的模糊性，而定量的數值模擬研究方式無疑是省時省力的研究工具，它能夠較好的研究巖土體開挖后的力學特性，并得出較滿意的結果，可作為設計方案的指導依據[1-2]。盤區上盤殘礦回收主要研究在預留點柱的情況下，分層開挖及充填過程中的穩定性及其上盤殘礦回采可留設的最小頂板厚度。由于盤區上盤殘采采場的上下盤一側完全暴露在充填體下，其暴露面積所占總面積的比例比盤區下盤還要大，整體穩定性較差，根據礦山對盤區下盤采場結構參數的研究成果[3-4]，并結合殘礦分布特點，決定在盤區上盤殘采采場之間預留3個點柱，尺寸為4 m×5 m，點柱間距控制在8 m之內。

2 數值模型

根據礦山實際情況，為綜合考慮殘礦回采過程中對周圍圍巖及充填體所引起的擾動效應，數值模擬選取三維地質模型尺寸為X×Y×Z=100 m×160 m×70 m。殘礦礦體上盤為充填體和矽卡巖，厚30 m，；下盤為充填體，厚30 m，；殘礦礦體厚10 m，同一水平沿y方向為矽卡巖，遠離y方向為充填體，盤區上盤殘礦地段埋深為185 m。建立好的FLAC3D單元體模型見圖1。

圖1 FLAC3D單元體模型

3 初始應力平衡

為了生成初始應力場，分析時只考慮重力作用，選取重力加速度為9.8 m/s2，方向垂直向下，選用莫爾—庫侖(Mohr—Coulo mb)模型，并賦材料力學參數(見表1)，邊界條件如下：

(1) 模型頂部為自由面，施加5 MPa的上覆巖層自重應力；

(2) 模型前后和左右邊界施加水平約束，即模型邊界水平的速度為0；

(3) 模型底部采用固定端約束。

模擬計算過程中采用分階段的彈塑性求解方法求解，以最大不平衡力作為收斂條件，盤區上盤殘礦的初始應力場見圖2。初始應力場的計算總共經歷11253個時步；最大不平衡力隨著時步的迭代呈現一直減小的趨勢，最后趨于平衡；垂直方向的應力隨著深度而逐漸增大，最大值為8.08 MPa，方向向下。

表1 材料力學參數

圖2 FLAC3D模型初始應力等值線圖

4 分層開挖及充填模擬

殘礦礦體厚10 m，根據礦山實際情況，擬采用上向水平分層充填采礦，以3 m為一分層，具體回采步驟如下：

(1) 從殘礦底部向上采3 m，回采第一分層，控頂高度為3 m；

(2) 回采第二分層，采高3 m，控頂高度總共為6 m；

(3) 充填第一分層，回采第三分層。由于第三分層的回采接近頂部充填體，回采過程將會不同程度地揭露或破壞充填體，可能使頂部充填體發生失穩現象。為最大限度地回收礦產資源，確?；夭傻陌踩?，需要得到第三分層回采的最佳高度，因此分以下3種情形進行數值模擬：采高為3 m，頂板厚度為1 m；采高為2 m，頂板厚度為2 m；采高為1 m，頂板厚度為3 m。

5 模擬結果及分析

盤區上盤礦巖初始應力場生成之后，對初始應力計算生成的位移場、進度場進行清零，然后按照回采模擬方案對殘礦采場每一分層一次性進行開挖或充填，各方案開挖結果見圖3～圖4。

圖4 第三步(頂板厚度h=1 m)開挖數值模擬結果

通過模擬可以得到各分層在開挖過程中的垂向位移和主應力情況，對各分層的數值模擬計算結果中的最大值進行統計，其結果見表2。

表2 分層開挖過程中數值模擬結果

利用FLAC3D軟件進行巖土體開挖數值模擬計算后，通常從應力、應變方面對模擬結果進行詳細分析：

(1) 位移場分析。通常過量的位移將導致頂板的冒落和礦柱的跨塌，由模擬結果可知，最大位移主要分布在靠近充填體一側的頂柱及附近區域，并且頂柱最大位移隨分層回采過程的進行逐漸增大。對比第三步回采的3種開挖方式，可以看出在同一步回采過程中采高越大，位移變化量越大，減小采高可以防止過量的位移。本次模擬采高定為3 m，沒有引起位移的突變，因而從位移角度來說，3 m的采高可以接受。

(2)應力場分析。各個分層的最大壓應力主要分布在礦柱上以及上盤圍巖與礦體頂柱的接觸角點處。隨著分層回采的進行，最大壓應力的變化比較小，而且最大壓應力遠遠小于巖體的抗壓強度，這也進一步說明巖體是一種“不抗拉材料”，一般不會首先發生壓縮破壞。

巖層的破壞形式主要為拉伸破壞和剪切破壞。頂板所受的拉應力將是影響采場穩定性的重要因素。根據模擬結果可知，最大拉應力主要分布在采場頂板及礦柱與下盤圍巖的接觸面上。采場開挖以后，巖體原有的平衡狀態遭到破壞，在采場周圍出現位移變形和松動區，對于頂板的最大拉應力，先從靠近充填體一側的頂板出現，一直向頂板的另一側延伸。由最大拉應力可以看出在回采過程中巖體主要表現出以下兩個規律：

(1) 盤區上盤殘礦采場在第一分層和第二分層回采過程中，所受的最大拉應力值都比較大，分別為1.99 MPa和2.13 MPa，接近殘礦的極限抗拉強度2.18 MPa；

(2) 在第三分層回采過程中，采高為1 m和2 m，即頂板厚度分別為3 m和2 m時，最大拉應力分別為1.97 MPa和2.02 MPa，相對第一分層和第二分層，其最大拉應力沒有繼續增大，而是得到了一定程度的緩解，這主要是由于第三分層回采之前對第一分層進行了充填，充填體具有一定的固結作用，緩解了應力場的集中程度；而采高為3 m，即頂板厚度為1 m時，最大拉應力為0.94 MPa，相對第一分層和第二分層，拉應力突然得到釋放，頂柱有可能發生破壞。

各分層回采過程中都有部分單元處于塑性屈服狀態，屈服區域主要發生在頂柱上。第一分層回采結束后，塑性屈服區域主要發生在靠近充填體一側的頂柱上；第二分層回采結束后，屈服區域從靠近充填體一側向另一側擴展；對于第三分層回采，當頂板厚度為3 m和2 m時，頂柱產生了大面積的塑性屈服區域，但并沒有貫通，頂柱不會發生失穩；而當頂板厚度為1 m時，頂柱產生的塑性區出現了貫通現象，因而頂板厚度為1 m時頂柱發生了失穩，這將導致殘礦上部充填體發生大面積的冒落，對殘礦安全回采造成很大的威脅。

根據數值模擬結果綜合分析可知，當盤區上盤采場預留點柱時，分層回采過程中最大拉應力接近礦體的極限抗拉強度，而且塑性屈服區域隨著分層回采的進行而不斷增大，若頂板在長時間暴露情況下或者采場在爆破震動等外界因素的影響下都很難保持自穩，所以必須在回采過程中采取一定的安全措施，尤其是對靠近充填體一側的頂板要進行安全支護。根據模擬結果可知，即使沒有外界因素的影響，當頂板厚度為1 m時，頂板自身就會失穩，因此建議最后一個分層頂板厚度至少要預留2 m。

6 結 論

用數值模擬方法研究了某礦盤區上盤殘礦回采的頂板安全厚度。在模擬過程中，通過ANSYS軟件建立三維計算模型，然后運用FLAC3D進行模擬開挖計算，不同方案的開挖模擬所引起的礦體和圍巖應力、應變情況下進行綜合分析，得出最合理的頂板安全厚度，主要結論為：

(1)盤區上盤殘礦在第三分層回采過程中，頂板厚度為1 m時，最大拉應力為0.94 MPa，相對第一分層和第二分層，拉應力突然得到釋放，頂柱將發生破壞。

(2)為保證安全，盤區上盤殘礦回采最佳頂柱安全厚度為2 m。

參考文獻：

[1]彭文斌．FLAC3D實用教程[M]．北京：機械工業出版社，2008.

[2]陳育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M]．北京：中國水利水電社出版社，2009.

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[4]黃 敏，孫 磊，崔 松，等．銅綠山礦-245 m中段盤區殘礦回收采礦方法試驗研究[R]．長沙：中南大學，2011：1-121.

[5]陳小康．露天坑下殘礦回收安全控制技術研究[D]．長沙：中南大學，2010：1-76．