基于離散元的中厚急傾斜礦體開采對山體穩定性的影響

楊八九，程 涌，王建貴，王永高

(1.云南亞融礦業科技有限公司，昆明 650093；2.云南錫業股份有限公司，云南 個舊 661000)

強富水金屬礦山作為開采技術條件較為復雜的一類礦山，一旦開采不當，擾動水體周邊的巖層，將會導致大量的水涌入采場，對礦山企業的生產安全造成極大影響[1-2]。本文以筆架山鐵礦急傾斜中厚礦體開采對山體及金沙江的穩定性為研究對象，在現場調查、礦巖體物理力學實驗及質量分級的基礎上，采用2D-Block離散單元法，在完全空場的情況下，對具有代表性的3#和8#剖面開采對上部山體及金沙江的穩定性進行了研究。研究結果為礦山開采對山體及金沙江的影響程度提供支撐，同時為類似賦存條件下礦山的回采提供參考。

1 工程概況

筆架山鐵礦是祿勸云川礦產開發有限公司下屬礦山，位于金沙江畔。1992年開始采礦，主要對1#、2#、3#、8#主礦體從上至下進行開采，上部采用露天開采，深部采用地下開采。1#、2#、3#、8#礦體金沙江江面(950 m)已采完，計劃開采金沙江江面以下礦體，其中3#剖面礦體最低賦存標高為760 m，8#剖面為650 m，分別位于金沙江江面之下190和300 m。

背斜北翼的2#、3#、8#礦體走向N52°～79°E，傾向SE，傾角80°。南翼的1#礦體，走向N70°W，傾向NE，傾角79°。采用分段鑿巖階段垂直走向出礦空場法開采。采場沿礦體走向布置，長度為42 m，寬度為礦體水平厚度，階段高度50 m。采場之間由頂底柱相隔，底柱高6 m，頂柱高4 m，相鄰采場之間有連續間柱，水平厚度為6 m，采礦作業在由頂底柱、間柱組成的礦房內進行。不同開采過程對山體及金沙江的擾動影響是本文研究的重點。

2 宏觀巖體力學參數

在現場巖體結構面調查、室內巖石力學試驗的基礎上，采用普氏、RMR、Q系統三種巖體質量分級方法，對筆架山鐵礦各礦巖體質量進行了分級，認為筆架山鐵礦礦巖體均屬于堅固—最堅固巖體。

模擬所采用的礦巖宏觀巖體力學參數，是通過室內物理力學實驗，結合Hoek-Brown強度準則折減而確定[3]，模擬分析采用礦巖體宏觀力學參數，見表1。

表1 礦巖宏觀巖體力學參數

3 急傾斜中厚礦體開采離散元模擬分析

3.1 計算模型的建立

根據筆架山鐵礦礦體、山體的實際形態和金沙江的位置，模擬礦體回采至650 m水平的情況下，使上部圍巖依照自身的規律冒落，研究上部山體及金沙江位置圍巖的穩定性。本次選擇礦體較多且與金沙江位置較近的3#和8#剖面進行模擬，單元均勻劃分為3 m×3 m的塊體。其中3#剖面計算模型單元劃分為37 514個，8#剖面為41 702個。計算模型見圖1、圖2。

圖1 3#剖面模型單元劃分塊體位置示意圖Fig.1 Block location of model unit division of section 3

圖2 8#剖面模型單元劃分塊體位置示意圖Fig.2 Block location of model unit division of section 8

3.2 開采模擬采用彈塑性模型

3.2.1 地下開采卸荷模擬方法

礦體開采卸荷相當于在初始應力的作用下在巖體中施加了一個反向拉應力[4-5]，所以在數值模擬分析過程中，將卸荷以前巖體的應力狀態作為初始應力，那么卸荷應力將是作用在同一巖體上的拉應力，最大拉應力大小為σ0+Rt，為等效抗拉強度。也就是說卸荷問題由卸荷前的應力、應變場和卸荷應力、應變場疊加。卸荷應力分解如圖3所示。

圖3 卸荷應力分解圖Fig.3 Breakdown of unloading stress

3.2.2 地下開采卸荷模擬采用彈塑性模型

模擬分析選用的屈服準則為Drucker-Prager強度準則[6]，是在Mohr-Coulomb準則和Mises屈服準則的基礎上演變而來，能較好地模擬分析巖體的破壞特性。該屈服準則的表達式如下：

其中，

式中：c—黏聚力，MPa；φ—內摩擦角，(°)。

3.3 計算方案

在模型原始初始應力平衡完成后，第二步將礦體開挖至與現場相符的950 m水平；第三步開挖950 m水平以下礦體。模擬不同開挖過程對山體及金沙江的影響。

3.4 模擬結果分析

3.4.1 礦體回采至950中段時山體及金沙江穩定性分析

計算模擬第一步，把外部荷載及邊界約束施加到所研究的區域中，形成初始應力場。計算模擬第二步，將礦體開挖至950 m，從模擬結果位移、速度分布圖(圖4～7)看出，礦體開采至950中段后，礦體之間已出現開裂和離層，但沒有出現大規模冒落和滑移。采后位移、速度方向都指向采空區，符合巖石力學的規律。模擬結果與現場實際情況也比較吻合。

圖4 3#剖面礦體開采至950中段時山體及金沙江位置模擬結果位移分布圖Fig.4 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 3 ore body is mined to the middle 950

圖5 8#剖面礦體開采至950中段時山體及金沙江位置模擬結果位移分布圖Fig.5 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 8 ore body is mined to the middle 950

圖6 3#剖面礦體開采至950中段時山體及金沙江位置模擬結果速度分布圖Fig.6 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 3 ore body is mined to the middle 950

圖7 8#剖面礦體開采至950中段時山體及金沙江位置模擬結果速度分布圖Fig.7 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 8 ore body is mined to the middle 950

3.4.2 礦體回采結束后山體及金沙江穩定性分析

模擬第三步是950 m以下礦體全部開采，從模擬結果位移、速度分布圖(圖8～11)可以看出，開挖體周邊圍巖(夾層、頂柱等)都發生了大面積冒落和滑移，由于8#剖面礦體開挖深度大于3#剖面，礦體開挖后發生冒落和滑移量都大于3#剖面；從圖12和圖13通過放大后畫出的巖石移動范圍可以看出，3#剖面開采至最低標高760 m時塊體開裂的范圍距離金沙江約為37.51 m，移動角約為65°，從37.51 m到金沙江面沒有出現開裂現象，說明在模擬圍巖發生大范圍冒落時對金沙江的影響也較小。而8#剖面由于礦體延伸至650中段，礦體開采后冒落范圍也較大，塊體開裂范圍也延伸到了江邊，移動角約為52°，說明8#剖面在模擬圍巖發生大范圍冒落時會對金沙江產生一定的影響。

圖8 3#剖面所有礦體開采結束山體及金沙江位置模擬結果位移分布圖Fig.8 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 3

圖9 8#剖面所有礦體開采結束山體及金沙江位置模擬結果位移分布圖Fig.9 Displacement distribution map of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 8

圖10 3#剖面所有礦體開采結束山體及金沙江位置模擬結果速度分布圖Fig.10 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 3

圖11 8#剖面所有礦體開采結束山體及金沙江位置模擬結果速度分布圖Fig.11 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 8

圖12 3#剖面所有礦體開采結束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.12 The movement range of all ore bodies in section 3 after mining by enlarging the picture

圖13 8#剖面所有礦體開采結束通過放大圖畫出的移動范圍Fig.13 The moving range of all ore bodies in section 8 after mining by enlarging the picture

4 結論

1)采用離散元法模擬礦體不同開采階段，對圍巖移動破壞規律及其力學行為進行科學分析，研究結論符合巖體力學的基本規律。該研究方法形象直觀，能模擬不同開挖深度情況下上部圍巖及金沙江的穩定性及其破壞過程。

2)在完全空場條件下，礦體開采至950 m時上部圍巖出現開裂和離層，但沒有出現大規模冒落和滑移。模擬結果與現場實際情況較吻合。

3)3#剖面開采至最低標高760 m時塊體開裂的范圍距離金沙江約為37.51 m，移動角約為65°，從37.51 m到金沙江面沒有出現開裂現象，說明3#剖面在模擬圍巖發生大范圍冒落時對金沙江的影響較小；8#剖面由于礦體延伸至650中段，礦體開采后冒落范圍也較大，塊體開裂范圍也延伸到了江邊，移動角約為52°，說明8#剖面在模擬圍巖發生大范圍冒落時，

會對金沙江產生一定的影響。綜合考慮，礦體開采至760 m時對金沙江的擾動較小，不影響礦體開采。