基于FLAC3D的采場永久間柱寬度數(shù)值模擬分析

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

地下采礦過程中的地應(yīng)力分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律是影響礦山開采的技術(shù)難題之一。許多生產(chǎn)礦山發(fā)生越來越突出的地壓活動：采場冒頂事故頻繁；巷道地壓顯現(xiàn)劇烈；區(qū)域地壓增大，空區(qū)處理困難；地表沉陷控制難度增大，甚至造成大量資源的損失[1]。

對于盤區(qū)開采的大規(guī)模地下礦山，從生產(chǎn)的角度出發(fā)，較小寬度的永久間柱和暫留礦柱、較大的礦房可以降低礦石的損失，提高礦山經(jīng)濟效益；從安全的角度出發(fā)，較大的永久間柱、暫留礦柱以及較小的礦房是保證采空區(qū)圍巖穩(wěn)定最有效的方法[2，3]。

因此，礦石回收率和盤區(qū)圍巖的穩(wěn)定性構(gòu)成一對矛盾。要解決這對矛盾，必須對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、盤區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，既要保證生產(chǎn)過程的安全，又要盡可能地減少礦石損失，提高礦山的經(jīng)濟效益。

東北某鉬鉛鋅多金屬礦選擇的采礦方法為大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法，本文在參考該礦山開采采礦方法系統(tǒng)優(yōu)化選擇研究報告的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山工程實際同時結(jié)合類似礦山的工程經(jīng)驗，從力學(xué)角度，利用FLAC3D軟件對該礦山采場永久間柱寬度進行穩(wěn)定性分析，在盡可能減小礦石損失同時，最大限度提高盤區(qū)開采的穩(wěn)定性[4，5]。

1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該鉬鉛鋅多金屬礦床巖體力學(xué)研究報告中推薦的巖體力學(xué)參數(shù)，經(jīng)工程折減后的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1[6]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 模擬開挖方案

在參考該礦山開采采礦方法系統(tǒng)優(yōu)化選擇研究報告的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山工程實際同時結(jié)合類似礦山的工程經(jīng)驗，初步確定對永久間柱寬度為15m和20m兩種方案進行力學(xué)分析，為了充分對比兩種永久間柱寬度的相對優(yōu)劣，排除盤區(qū)長度因素的干擾，以盤區(qū)長度282m（即8房9柱方案，對應(yīng)的永久間柱長度同樣為282m）方案為例，如圖1所示，暫留礦柱寬度分別為40m、50m、60m、70m、80m的這些方案在礦房礦柱都開挖完成以后的數(shù)值結(jié)果進行分析[2，7]。

圖1 礦房礦柱布置示意圖（8房9柱）

本文采用的模擬開挖方案分七步，順序依次為：初始應(yīng)力場生成、位移清零，按照隔三采一的原則回采四個盤區(qū)的礦房，充填礦房，回采四個盤區(qū)剩余的礦房，充填剩余礦房，回采礦柱，充填礦柱。

通過對比兩種永久間柱寬度的數(shù)值模擬結(jié)果，最終推薦合理的永久間柱寬度。由于兩種方案分析結(jié)果的塑性區(qū)都不太明顯，主要對最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及垂直方向位移三個參數(shù)進行分析[4，5]。

2.2 最大主應(yīng)力數(shù)值結(jié)果對比分析

根據(jù)FLAC3D軟件模擬結(jié)果，暫留礦柱寬度分別為40m、50m、60m、70m、80m五種方案的最大主應(yīng)力的結(jié)果見表2。

為了分析永久間柱寬度分別為15m和20m時力學(xué)效果的改善情況，在此引入一個相似系數(shù)的概念，即將永久間柱寬度為20m時對應(yīng)的力學(xué)結(jié)果與永久間柱寬度為15m時相對應(yīng)力結(jié)果的比值稱之為相似系數(shù)結(jié)果見表2。

表2 最大主應(yīng)力結(jié)果表

為了更加直觀地對比兩種間柱寬度情況在五種暫留礦柱寬度的方案中的最大主應(yīng)力的結(jié)果，將其用折線圖表示出來，結(jié)果如圖2所示。

從表2和圖2可以得出，永久間柱寬度為15m和20m時，隨著暫留礦柱寬度的增加，最大主應(yīng)力的值隨之減小，但最大主應(yīng)力的改善不明顯。

兩種間柱寬度情況下最大主應(yīng)力的相似系數(shù)在五種暫留礦柱寬度情況下中均大于0.98。產(chǎn)生相似比數(shù)值為0.98對應(yīng)的是暫留礦柱位60m的情況。因此，單純將永久間柱寬度從15m加大到20m，對于相應(yīng)的四個盤區(qū)礦房礦柱的開采力學(xué)效果改善不是很明顯。

圖2 最大主應(yīng)力結(jié)果圖

通過最大主應(yīng)力的數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m的兩種方案的最大主應(yīng)力結(jié)果相差很小。

考慮到永久間柱將來無法回采，會成為永久損失，在能夠保證盤區(qū)穩(wěn)定性的前提下盡可能選擇較小的永久間柱寬度。

因此，通過最大主應(yīng)力的分析，推薦永久間柱寬度為15m。

2.3 最小主應(yīng)力數(shù)值結(jié)果對比分析

根據(jù)FLAC3D軟件模擬結(jié)果，暫留礦柱寬度分別為40m、50m、60m、70m以及80m的五種方案的最小主應(yīng)力的結(jié)果，最小主應(yīng)力相似系數(shù)（同上）結(jié)果見表3。

表3 最小主應(yīng)力結(jié)果表

為了更加直觀地對比兩種間柱寬度情況在五種暫留礦柱寬度的方案中的最小主應(yīng)力的結(jié)果，將其用折線圖表示出來，結(jié)果如圖3所示。

從表3和圖3可以得出，永久間柱寬度為15m和20m時，其最小主應(yīng)力的改善不明顯，兩種永久間柱寬度方案的最小主應(yīng)力隨著暫留礦柱寬度的增加有較小的增加趨勢。兩種間柱寬度情況下最小主應(yīng)力的相似系數(shù)在五種暫留礦柱寬度情況下中均大于0.989，相似比數(shù)值為0.989時對應(yīng)的是暫留礦柱為80m時的情況，兩種情況的最小主應(yīng)力折線圖幾乎重合。

圖3 最小主應(yīng)力結(jié)果圖

通過最小主應(yīng)力數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度15m和永久間柱寬度20m兩種方案的最小主應(yīng)力結(jié)果相差很小，兩條曲線幾乎重合，并且兩種寬度產(chǎn)生的最小主應(yīng)力都小于最大允許抗拉強度。

考慮到永久間柱將來無法回采，會成為永久損失，在能夠保證盤區(qū)穩(wěn)定性的前提下盡可能選擇較小的永久間柱寬度。

因此，通過最小主應(yīng)力的分析，推薦永久間柱寬度為15m。

2.4 垂直方向位移數(shù)值結(jié)果對比分析

根據(jù)FLAC3D軟件模擬結(jié)果，暫留礦柱寬度分別為40m、50m、60m、70m、80m五種方案的垂直方向位移結(jié)果，最小主應(yīng)力相似系數(shù)（同上）結(jié)果以及最大安全拉應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 垂直方向位移結(jié)果表

為了更加直觀地對比兩種間柱情況在五種暫留礦柱寬度的方案中的垂直方向位移結(jié)果，將其用折線圖表示出來，結(jié)果如圖4所示。

圖4 垂直方向位移結(jié)果圖

從表4和圖4可以看出，永久間柱寬度為15m和20m時，其垂直方向上的位移效果改善同樣不明顯，兩種永久間柱寬度方案的垂直方向位移隨著暫留礦柱寬度的增加而減少的趨勢也不明顯。兩種間柱寬度情況下垂直位移的相似系數(shù)在五種暫留礦柱寬度情況下中均等于0.92。兩種情況的最小主應(yīng)力折線圖變化趨勢基本相同，并且兩種間柱寬度在五種暫留礦柱寬度方案中的垂直方向上的位移都小于容許極限位移。

通過垂直方向上位移的數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m的兩種方案的垂直方向上的位移都能滿足安全生產(chǎn)的要求。

考慮到永久間柱將來無法回采，會成為永久損失，在能夠充分保證安全回采的前提下，盡可能選擇永久間柱寬度較小的方案。

因此，通過垂直方向上位移的數(shù)值分析結(jié)果，推薦永久間柱寬度為15m的方案。

3 小結(jié)

為了充分對比兩種寬度的永久間柱的相對優(yōu)劣，排除盤區(qū)長度不同帶來的干擾因素，以確定的盤區(qū)長度282m（即8房9柱方案）方案為例，利用FLAC3D軟件對永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m的兩種方案進行數(shù)值模擬，考慮兩種方案所產(chǎn)生的塑形區(qū)很小，主要從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和垂直方向位移三個方面進行了分析。

（1）通過最大主應(yīng)力的數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m的兩種方案的最大主應(yīng)力結(jié)果相差很小，考慮到永久間柱將來無法回收，會成為永久損失，在保證采場穩(wěn)定性的前提下盡可能選擇永久間柱寬度較小的方案。因此，推薦永久間柱寬度為15m。

（2）通過最小主應(yīng)力的數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m的兩種方案的最小主應(yīng)力結(jié)果相差很小，并且兩種寬度的最小主應(yīng)力都小于允許抗拉強度。考慮到永久間柱將來無法回收，會成為永久損失，在保證采場穩(wěn)定性的前提下盡可能選擇永久間柱寬度較小的方案。因此，推薦永久間柱寬度為15m。

（3）通過垂直方向上位移的數(shù)值結(jié)果的對比分析可知，永久間柱寬度為15m和永久間柱寬度為20m兩種方案的垂直方向上的位移都能滿足安全生產(chǎn)的要求，考慮盡可能選擇小的永久間柱寬度原則確定永久間柱寬度為15m的方案更加合理。

綜上分析，暫留礦柱寬度從40m、50m、60m、70m、80m變化，五種方案中的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及垂直方向上位移的數(shù)值分析結(jié)果均表明，永久間柱寬度選擇15m時，既能保證礦山的安全生產(chǎn)，同時又可以盡量減少永久性損失。因此，推薦永久間柱的寬度為15m。