基于FLAC-3D的地下轉露天復雜采空區安全頂板厚度確定

孫世國，苗子臻，張玉娟，解禹

基于FLAC-3D的地下轉露天復雜采空區安全頂板厚度確定

孫世國，苗子臻，張玉娟，解禹

（北方工業大學土木工程學院，北京，100144）

為了保證礦山安全生產，采空區安全頂板厚度對保證安全有著重要作用。以紫金山金銅礦地下轉露天采區為例，基于FLAC-3D數值模擬方法，以不同安全頂板厚度數據，對采區不同頂板厚度穩定性開展了研究。研究結果表明：紫金山金銅礦采區最小安全頂板厚度為45 m，開采方案頂板設計厚度為56 m時，采區頂板區域塑性區未連通，不會發生破壞，但礦柱區域塑性區有連通現象，需作相應處理。

FLAC-3D；地下轉露天；采空區；安全頂板厚度

引言

近年來，隨著經濟的快速發展，社會對礦產資源的需求急劇增加，礦產開采力度加大，許多礦山由地下開采轉為露天開采。地下轉露天開采使得礦山企業效益顯著提升的同時，也帶來了許多安全問題[1-4]。其中，地下采空區上方預留安全頂板作為控制地下開采與露天開采之間的相互影響，解決采場塌陷、突水等事故的重要措施，其厚度的確定十分關鍵。頂板厚度過小，容易引起頂板產生離層垮冒、折斷垮落，嚴重影響井下設備及工作人員的安全；反之，頂板過厚，因其回采率較低，開采難度較大，開采效益較低，易造成資源的浪費。目前，國內外確定安全頂板厚度的方法主要包括K.B.魯別捏依塔法、B.N.波哥留波夫法、平板梁理論推導法、工程類比法、厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、數值分析法等。其中數值分析方法，因其能夠從整體上模擬復雜采空區的應力分布規律及變形趨勢，計算效果良好，從而被廣泛應用[5-8]。因此，本文基于FLAC-3D數值模擬方法，對紫金山金銅礦復雜采空區不同頂板厚度穩定性進行研究，確定了其安全頂板厚度，為礦山安全開采提供了技術支持及科學依據。

1　工程概況

紫金山金銅礦區位于福建省上杭縣城以北約26 km處。礦區初期采用露天與地下聯合開采，而后轉為露天開采，礦區露天采場底部設計標高為+616 m，采場上部最高標高為+1 096 m，上口面積1 020×700 m2，下口面積184×85 m2，到界邊坡最大高差480 m，屬高陡邊坡。根據礦區工程地質條件，結合礦區多為低品位礦石的特點，礦區前期采用大直徑深孔階段空場法進行井采，然后采用崩落法和房柱法進行回采，應用“采一留一”或“采一留二”回采方式，先采礦房，保留礦柱，礦柱高度50 m[9,10]。

目前已在標高+520 m中段和+460 m中段形成多個礦房，礦房平均跨度15 m，長度分為30 m、60 m、80 m、120 m四種。后期經過露天開采，露天礦區現已形成單臺階高度為12 m的采場邊坡地形，臺階坡面角60°～70°。

2　安全頂板厚度確定的數值模擬研究

2.1模型的建立

根據礦區開采設計方案，結合現場開采情況，選取具有代表性的1-3剖面采區，依次建立了露天開采底標高為+652 m、+640 m、+628 m、+616 m、+604 m時的地下轉露天開采模型，相應的頂板厚度分別為92 m、80 m、68 m、56 m、44 m。模型長度為2 000 m，寬度為135 m，高度為950 m，模型及網格劃分如圖1所示。

圖1　地下轉露天開采數值計算模型

2.2巖體參數的選取及邊界條件的確定

根據礦區地質勘察資料及巖體試驗結果，綜合確定各巖體力學參數如表1所示。相應邊界條件為：前、后邊界施加Y方向位移約束，底部邊界施加X、Y、Z方向位移約束；露天采場底部作用荷載按1臺225 t挖掘機施工重量考慮。

表1　巖石力學參數

2.3模擬結果分析

隨著開采的進行，露采境界線下移，采區周圍巖體在自重及其他荷載作用下產生移動及變形。因巖體一旦進入塑性狀態，其強度及承載力將明顯降低，因此，將圍巖塑性區的大小及貫通性作為采區穩定性的評判標準[11]。其中頂板厚度為68 m、56 m、44 m時采區1-3剖面塑性區分布如圖2～圖4所示。

圖2　頂板厚68 m時模型塑性區分布圖

從圖中可以看出，采區塑性區主要分布在頂板中部、礦柱、露天采場底部邊角及采空區兩幫。當頂板厚度為68 m時，由于拉應力作用，頂板中部有零星塑性區出現；頂板厚度為56 m時塑性區分布范圍有所增加，但仍未貫通，頂板尚未發生破壞；頂板厚度為44 m時塑性區范圍顯著增加，出現明顯貫通，頂板發生破壞。且隨著頂板厚度的減小，頂板傳遞給空區兩幫的壓應力減小，兩幫受壓產生塑性區明顯減少；隨著頂板厚度的減小，露天采場底部邊角因頂板自重作用而產生的拉應力急劇減小，邊角處塑性區分布顯著減小。

圖3　頂板厚56 m時模型塑性區分布圖

圖4　頂板厚44 m時模型塑性區分布圖

為使安全頂板厚度精確至1 m，根據上述分析，應用二分法原理對44 m～56 m范圍內不同頂板厚度采區穩定性進行模擬分析，最終確定采區最小安全頂板厚度為45 m，此時采區塑性區仍未貫通，頂板仍未破壞，其塑性區分布圖如圖5所示。

3　結束語

通過對紫金山金銅礦復雜采空區不同頂板厚度穩定性進行數值模擬研究，可得出以下結論：

（1）采區塑性區主要分布在頂板中部、礦柱、露天采場底部邊角及采空區兩幫，且隨著頂板厚度的減小，礦柱、露天采場底部邊角及采空區兩幫塑性區范圍逐漸減小，頂板中部塑性區逐漸增加，不利于頂板安全。

圖5　頂板厚45 m時模型塑性區分布圖

（2）紫金山金銅礦采區最小安全頂板的厚度為45 m。露天采場底部設計標高+616 m，頂板厚度為56 m時，采區頂板區域塑性區未連通，不會發生破壞，但在礦柱區域塑性區有連通現象，需作相應處理。

國家自然科學基金(41172250)；國家十二五科技支撐項目(2012BAK09B06)；北京市創新團隊提升計劃項目(IDHT20140501)；北京市科研基地建設－科研創新平臺、科研專項－沖擊地壓微震監測與預警體系的構建(XN083)；新型錨桿加固技術現場試驗研究及研究生能力實訓(XN107)

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孫世國(1959-)，男，教授，博士后，博士生導師，北方工業大學礦山安全與巖土工程研究中心主任，土木工程一級學科責任教授，國家和北京市政府安全生產專家組成員，中國巖石力學與工程學會理事，國際工程地質與環境協會中國專家組成員。

苗子臻，男，碩士研究生，主要從事巖土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Study on Security Coping Thickness of Complicated Goaf of Mining Converted from Underground to Surface based on FLAC-3D

SUN Shi-guo, MIAO Zi-zhen, ZHANG Yu-juan, XIE Yu
(College of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing, 100144, China)

The determination of security coping thickness of complicated goaf is of great significance to the mine safety production. In order to determine the security coping thicknes of the complicated goaf of ZiJinShan gold copper mine converted from underground to surface based on the FLAC-3D simulation method, the stability of goaf with different coping thickness was researched. The study results show that the minimum security coping thickness in ZiJinShan gold copper mine is 45 m. When the design of coping thickness is 56 m, the plastic zone of coping area in goaf is not connected, so that the goaf is not damaged. However, the plastic zone of pillar area is connected, so corresponding measures should be taken to ensure the safety of mining.

FLAC-3D; Mining Converted from Underground to Surface; Goaf; Security Coping Thickness

TU473

A

2095-8412 (2016) 05-837-04工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.001

[11]萬文. 地下空區對邊坡穩定性的影響研究[D]. 長沙: 中南大學, 2006, 10.7666/d.y1190362.