某铜矿水平矿柱稳定性数值模拟分析

黄惟盛，刘 波

(1.江西铜业集团公司武山铜矿，江西瑞昌 332204;2.龙桥矿业有限公司，安徽庐江 231500)

1 引言

矿区在开采过程中，因阶段高度较高，为确保采场及空区的稳定，在-385～-400m之间预留15m厚的水平矿柱。水平矿柱西厚东薄，垂直厚度15m，宽度为15～45m，平均宽度30m左右，长度350m左右。-385m中段以上矿体顺利地实现了矿房、矿柱两步骤回采，充填体未出现大面积的坍塌垮落，水平矿柱的留设取得了一定的经济效益。目前，处于充填体下的水平矿柱，上部承载的充填体高度达到140m，再加上受水平作用力的影响，其稳定性状态如何不得而知。下部矿体尤其是矿柱回采，对水平矿柱的稳定性影响程度无从考证，因此，研究深部开采对水平矿柱产生的影响，对指导矿山的安全、高效开采，具有重要的工程实用价值。针对FLAC3D前处理能力不足的缺陷导，本文采用基于surpac的FLAC3D模型自动生成的方式建立数值模型。

2 数值计算模型

2.1 模型构建

FLAC3D前处理能力不足的缺陷导致在建立相对比较复杂的三维地质体时显得比较棘手，通常采用的方法是对模型进行简化，但过度的简化使得数值模拟的结果变得不那么可靠［1］。因此寻找一种快速准确的建模方法有一定的工程意义。矿业软件surpac显示出建模方面的优势，能精确、快速地建立复杂的三维地质模型。采用surpac建立块体模型，给块体模型各单元赋以坐标等属性数据，将块体模型以数据文件的形式导出，利用access对导出的数据进行编辑转化成FLAC3D识别的数据格式，再通过FLAC3D中的impgrid命令调入数据建立FLAC3D数值模型［2-3］。整个模型自动生成技术路线如图1。

图1 模型自动生成技术路线

根据矿体的赋存范围，选取0线到20线之间共计14张地质剖面图，各中段共计12张平面图。将地质剖面图、中段平面图进行编辑转化、转换坐标使二维CAD平面图转化成surpac建模所需扩展名为.str的三维线串文件。再通过线文件建立实体模型。兼顾计算精度和计算量，对最小单元格尺寸定为5m×5m×5m。根据实体模型的范围建块体模型，并对其约束即可得到矿体的块体模型。根据实体模型约束条件，将块体模型以数据文本的形式导出。

将导出的数据文本用access数据库进行编辑处理成impgrid调用的格式数据，利用FLAC3D命令impgrid调入编辑好的数据，生成FLAC3D数值模型。将模型向外围发散原有的3～5倍，得整体的数值模型(如图2)。

图2 几何模型沿矿体走向纵剖面图

2.2 地应力及边界条件

参照文献［3］中的实验数据，矿区地应力场回归方程如下:

上式中:σ1，σ2，σ3分别为最大及最小水平主应力、垂直方向主应力的值，H为矿体赋存深度。

采取左右两端边界约束水平方向的位移，底部约束Z方向的位移的边界限制。初始应力采取在计算区域内直接赋值，垂直方向施加，水平面的两个边界应力根据最大主应力的方向分别施加作用力。

2.3 介质力学参数

数值模拟涉及的材料主要有矽卡岩、蚀变闪长岩、大理岩、矿体、充填体。这其中上盘围岩中的矽卡岩含量较低且力学参数和闪长岩相类似，因此将上盘围岩的岩性归属于闪长岩一类。上述三类岩体的力学参数室内岩石试验经岩体工程化处理所的［4］。充填体分为胶结充填体及尾砂充填体两种参见文献［3］。数值模拟的全部材料力学参数参见表1［5］。

表1 各种材料类型的力学参数

本次数值模拟将四种主要材料类型的本构关系均假设为理想弹塑性体。屈服准则采用摩尔-库伦(Mohr-Coulolomb)准则，允许岩石产生大变形。

3 模拟结果分析

为客观分析水平矿柱下部中段矿体开采对其产生的扰动程度［6］，先根据矿山原有的开采模式模拟目前累积开采状态，再对深部矿体的回采进行模拟［7］。本次模拟的重点为-510、-460两个中段矿体的回采，随着更深部的矿体发生了转向，其开采扰动对水平矿柱的影响可以忽略不计。根据矿山现有回采的总体原则，参照矿体历史开采顺序模拟矿体的累积回采，及下两个中段矿体的开挖对水平矿柱的影响。

FLAC3D数值模拟结果能输出各种力学效应数据，本次数值模拟针对深部开采扰动对水平矿柱的影响，受限于篇幅，对模拟的结果重点分析两个中段矿体回采之后水平矿柱底板的位移、最大及最小主应力、塑性区等力学效应。

3.1 最小主应力

在-510中段采矿活动结束后，水平矿柱矿体4线以东的范围最小主应力降低比较明显，从图3可以得出，其最小主应力值为 -10.00MPa～-12.54MPa，该部分区域应力释放值约为7.00 MPa，上述应力变化都是水平矿柱整体稳定性良好的基础上产生的。在4线以西较厚大矿体区域，采区范围所对应的水平矿柱上下盘围岩的边界处存在明显的应力集中现象，即水平矿柱上、下盘边缘范围内的区域，其最小主应力值为-27.00～-28.34 MPa。在沿矿体走向方向水平矿柱的两端围岩应力集中区域范围较其它边界区域范围大，下盘应力集中程度比上盘大。

由图4可以看出，-460中段矿体回采之后，最小主应力降低区范围明显增大，其值为-10.00～-15.00MPa，应力降低区域释放应力大约为5MPa。应力集中区域有所减少，主要集中在0线附近，最小主应力值为-30MPa左右，说明-460中段矿体开采完毕之后，水平矿柱的应力有向下部充填体转移趋势，对水平矿柱的应力有一定卸载作用，这对水平矿柱的稳定性是有利的。

图3 -510中段回采后水平矿柱底板最小主应力

图4 -460中段回采后水平矿柱底板最小主应力

3.2 最大主应力

由图5可以得出，-510中段矿体回采之后在上部采区所对应的水平矿柱中的区域范围最大主应力降低明显，最大主应力降低区域的形态分布特征受上部采场范围的影响。水平矿柱因上部1线至2线间厚大矿体的开采，采区暴露面积相对较大，水平矿柱岩体的最大主应力值降低比较明显，顶板围岩的最大主应力值为-4.00～-2.00MPa。采区所对的顶板与上、下盘围岩等接触处存在最大主应力升高区，或者最大主应力轻度集中区，主要集中于矿体走向的东西端部围岩中和0线的下盘围岩中，其最大主应力值为-11.8～-10.00MPa。水平矿柱底板出现拉应力，但出现的区域及拉应力值都不是很大。由图6可以得出，-460中段矿体回采之后，最大主应力集中区域有所增大，但增大范围较小，最大主应力值为-12.8～-11.00MPa。最大主应力降低区域也有所增大，主要集中在西部0线及2线厚大矿体开采范围内。拉应力区域增大，也集中在西部0线及2线厚大矿体开采范围内，拉应力值增加，但增加值较小，水平矿柱仍在稳定的范围内。

图5 -510中段回采后水平矿柱底板最大主应力

图6 -460中段回采后水平矿柱底板最大主应力

3.3 位移分析

水平矿柱的破坏主要体现在垂直位移量的突然增大，因此只分析垂直位移的结果。由图7可以看出-510中段回采后水平矿柱底板产生Z方向位移在4线以西，8线以东呈下沉状态，在4线至8线之间呈上升趋势，这是由于水平矿柱受上部压力，作用于水平矿柱的外压力转移，使得矿柱内部变形能向外释放，产生下沉变形，并且下沉变形是水平矿柱以后变形的主要形式。最大下沉区域分布呈类似长椭圆形，位移3线至0线之间下盘，椭球的长轴方向与矿体走向基本一致，长轴为200m左右，短轴为100m左右;下沉区域的位移最大值为-2～-2.96 mm，主要集中于1线与0线间厚大矿体范围内，矿体回采后采空区面积较大，造成下沉位移也较大。位移上升区域的最大位移值为3.47mm。水平矿柱产生垂直位移的区域范围内，东部的范围比西部的大，但位移最大值基本相同。由图8可以看出，-460中段矿体回采完之后，水平矿柱最大沉降值变化较大，最大值达到了-1.07cm，区域主要集中在1线至2线之间，范围较-510m中段回采后有明显增大，说明-460m中段矿体的采动影响比-510m中段矿体回采要大。水平矿柱上升区域及值基本都没有变化。虽然水平矿柱沉降值变化较大，但总体垂直位移值偏小，水平矿柱仍处于稳定的范围内。

图7 -510中段回采后水平矿柱底板垂直位移

图8 -460中段回采后水平矿柱底板垂直位移

3.4 塑性区分析

图9显示-510m中段矿体回采之后，水平矿柱底板区域的塑性区域比较大，主要集中在0线及2线之间，基本上还是剪切破坏为主，内部塑性区基本上没有变化。图10显示-460m中段矿体回采之后，水平矿柱底板塑性区域增大范围比-510m中段矿柱回采后产生的塑性区要大，新增塑性区主要集中在西部矿体厚大区域，这说明西部厚大矿体的回采扰动对水平矿柱的影响较大，内部塑性区和前一个中段回采相比基本上没有变化，这说明水平矿柱的塑性区域依然没有向内部发展的趋势，因此可认为水平矿柱仍在稳定的态。

图9 -510中段回采后水平矿柱底板塑性区

图10 -460中段回采后水平矿柱底板塑性区

4 结论

(1)利用surpac软件建模简便、快捷的特点，提出基于surpac的FLAC3D自动生成复杂矿体计算模型的方法，克服了FLAC3D前处理能力不足的问题。这使得数值模拟更接近实际的情况，模拟结果更准确、可靠。

(2)水平矿柱在西部范围内产生一定的应力集中，东部应力较为平稳。水平矿柱的破坏区域西部较东部范围大，破坏的方式主要为剪切破坏。

(3)下部矿体的回采对水平矿柱的扰动会产生一定的影响，其中西部区域厚大矿体采场的回采扰动要大于东部矿体的回采，-460m中段矿体回采扰动影响要大于-510m中段矿体的回采。

(4)水平矿柱东部区域的稳定性要优于西部区域，下部矿体的回采对水平矿柱的稳定性产生一定的影响，水平矿柱整顶底板塑性区范围增大，但内部未出现塑性区域，因此整体的稳定性良好，不会在下部矿体的回采过程中出现失稳现象。

［1］彭文斌.FLAC3D实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［3］林杭，曹平，李江腾，等.基于SURPAC的FLAC3D三维模型自动构建［J］.中国矿业大学学报，2008，37(3)，339-342.

［4］杨志强，吴福和，杨小聪，等.安庆铜矿不规则二步骤矿柱采场回采实践［J］.中国矿业，2011，20(2):78-80.

［5］何满潮，薛廷河，彭廷飞.工程岩体力学参数确定方法的研究［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(2):225-229.

［6］史启明.凰山铜矿水平矿柱回采实践［J］.矿业快报，2001(9):10-11.

［7］赵其祯，郭慧高.特大型水平矿柱稳定性数字模拟［J］.色金属:矿山部分，2008，60(3):28-31.