盘区上盘残矿回采顶板安全厚度的研究

黄 敏，唐绍辉，吴亚斌

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

1 工程概况

目前某矿山残矿回采对象主要为采场顶底柱、四周为充填体的矿柱采场以及零星矿体。Ⅲ号矿体盘区上盘残矿地段是矽卡岩含铜铁矿石的残采采场，采场面积约500 m2，矿石品位较高，具有极大的回收价值。

残矿回收应确保回采的安全性，并制定切实可行的技术方案，而矿山通常依靠现场经验来确定回采方式，具有一定的模糊性，而定量的数值模拟研究方式无疑是省时省力的研究工具，它能够较好的研究岩土体开挖后的力学特性，并得出较满意的结果，可作为设计方案的指导依据[1-2]。盘区上盘残矿回收主要研究在预留点柱的情况下，分层开挖及充填过程中的稳定性及其上盘残矿回采可留设的最小顶板厚度。由于盘区上盘残采采场的上下盘一侧完全暴露在充填体下，其暴露面积所占总面积的比例比盘区下盘还要大，整体稳定性较差，根据矿山对盘区下盘采场结构参数的研究成果[3-4]，并结合残矿分布特点，决定在盘区上盘残采采场之间预留3个点柱，尺寸为4 m×5 m，点柱间距控制在8 m之内。

2 数值模型

根据矿山实际情况，为综合考虑残矿回采过程中对周围围岩及充填体所引起的扰动效应，数值模拟选取三维地质模型尺寸为X×Y×Z=100 m×160 m×70 m。残矿矿体上盘为充填体和矽卡岩，厚30 m，；下盘为充填体，厚30 m，；残矿矿体厚10 m，同一水平沿y方向为矽卡岩，远离y方向为充填体，盘区上盘残矿地段埋深为185 m。建立好的FLAC3D单元体模型见图1。

图1 FLAC3D单元体模型

3 初始应力平衡

为了生成初始应力场，分析时只考虑重力作用，选取重力加速度为9.8 m/s2，方向垂直向下，选用莫尔—库仑(Mohr—Coulo mb)模型，并赋材料力学参数(见表1)，边界条件如下：

(1) 模型顶部为自由面，施加5 MPa的上覆岩层自重应力；

(2) 模型前后和左右边界施加水平约束，即模型边界水平的速度为0；

(3) 模型底部采用固定端约束。

模拟计算过程中采用分阶段的弹塑性求解方法求解，以最大不平衡力作为收敛条件，盘区上盘残矿的初始应力场见图2。初始应力场的计算总共经历11253个时步；最大不平衡力随着时步的迭代呈现一直减小的趋势，最后趋于平衡；垂直方向的应力随着深度而逐渐增大，最大值为8.08 MPa，方向向下。

表1 材料力学参数

图2 FLAC3D模型初始应力等值线图

4 分层开挖及充填模拟

残矿矿体厚10 m，根据矿山实际情况，拟采用上向水平分层充填采矿，以3 m为一分层，具体回采步骤如下：

(1) 从残矿底部向上采3 m，回采第一分层，控顶高度为3 m；

(2) 回采第二分层，采高3 m，控顶高度总共为6 m；

(3) 充填第一分层，回采第三分层。由于第三分层的回采接近顶部充填体，回采过程将会不同程度地揭露或破坏充填体，可能使顶部充填体发生失稳现象。为最大限度地回收矿产资源，确保回采的安全性，需要得到第三分层回采的最佳高度，因此分以下3种情形进行数值模拟：采高为3 m，顶板厚度为1 m；采高为2 m，顶板厚度为2 m；采高为1 m，顶板厚度为3 m。

5 模拟结果及分析

盘区上盘矿岩初始应力场生成之后，对初始应力计算生成的位移场、进度场进行清零，然后按照回采模拟方案对残矿采场每一分层一次性进行开挖或充填，各方案开挖结果见图3～图4。

图4 第三步(顶板厚度h=1 m)开挖数值模拟结果

通过模拟可以得到各分层在开挖过程中的垂向位移和主应力情况，对各分层的数值模拟计算结果中的最大值进行统计，其结果见表2。

表2 分层开挖过程中数值模拟结果

利用FLAC3D软件进行岩土体开挖数值模拟计算后，通常从应力、应变方面对模拟结果进行详细分析：

(1) 位移场分析。通常过量的位移将导致顶板的冒落和矿柱的跨塌，由模拟结果可知，最大位移主要分布在靠近充填体一侧的顶柱及附近区域，并且顶柱最大位移随分层回采过程的进行逐渐增大。对比第三步回采的3种开挖方式，可以看出在同一步回采过程中采高越大，位移变化量越大，减小采高可以防止过量的位移。本次模拟采高定为3 m，没有引起位移的突变，因而从位移角度来说，3 m的采高可以接受。

(2)应力场分析。各个分层的最大压应力主要分布在矿柱上以及上盘围岩与矿体顶柱的接触角点处。随着分层回采的进行，最大压应力的变化比较小，而且最大压应力远远小于岩体的抗压强度，这也进一步说明岩体是一种“不抗拉材料”，一般不会首先发生压缩破坏。

岩层的破坏形式主要为拉伸破坏和剪切破坏。顶板所受的拉应力将是影响采场稳定性的重要因素。根据模拟结果可知，最大拉应力主要分布在采场顶板及矿柱与下盘围岩的接触面上。采场开挖以后，岩体原有的平衡状态遭到破坏，在采场周围出现位移变形和松动区，对于顶板的最大拉应力，先从靠近充填体一侧的顶板出现，一直向顶板的另一侧延伸。由最大拉应力可以看出在回采过程中岩体主要表现出以下两个规律：

(1) 盘区上盘残矿采场在第一分层和第二分层回采过程中，所受的最大拉应力值都比较大，分别为1.99 MPa和2.13 MPa，接近残矿的极限抗拉强度2.18 MPa；

(2) 在第三分层回采过程中，采高为1 m和2 m，即顶板厚度分别为3 m和2 m时，最大拉应力分别为1.97 MPa和2.02 MPa，相对第一分层和第二分层，其最大拉应力没有继续增大，而是得到了一定程度的缓解，这主要是由于第三分层回采之前对第一分层进行了充填，充填体具有一定的固结作用，缓解了应力场的集中程度；而采高为3 m，即顶板厚度为1 m时，最大拉应力为0.94 MPa，相对第一分层和第二分层，拉应力突然得到释放，顶柱有可能发生破坏。

各分层回采过程中都有部分单元处于塑性屈服状态，屈服区域主要发生在顶柱上。第一分层回采结束后，塑性屈服区域主要发生在靠近充填体一侧的顶柱上；第二分层回采结束后，屈服区域从靠近充填体一侧向另一侧扩展；对于第三分层回采，当顶板厚度为3 m和2 m时，顶柱产生了大面积的塑性屈服区域，但并没有贯通，顶柱不会发生失稳；而当顶板厚度为1 m时，顶柱产生的塑性区出现了贯通现象，因而顶板厚度为1 m时顶柱发生了失稳，这将导致残矿上部充填体发生大面积的冒落，对残矿安全回采造成很大的威胁。

根据数值模拟结果综合分析可知，当盘区上盘采场预留点柱时，分层回采过程中最大拉应力接近矿体的极限抗拉强度，而且塑性屈服区域随着分层回采的进行而不断增大，若顶板在长时间暴露情况下或者采场在爆破震动等外界因素的影响下都很难保持自稳，所以必须在回采过程中采取一定的安全措施，尤其是对靠近充填体一侧的顶板要进行安全支护。根据模拟结果可知，即使没有外界因素的影响，当顶板厚度为1 m时，顶板自身就会失稳，因此建议最后一个分层顶板厚度至少要预留2 m。

6 结 论

用数值模拟方法研究了某矿盘区上盘残矿回采的顶板安全厚度。在模拟过程中，通过ANSYS软件建立三维计算模型，然后运用FLAC3D进行模拟开挖计算，不同方案的开挖模拟所引起的矿体和围岩应力、应变情况下进行综合分析，得出最合理的顶板安全厚度，主要结论为：

(1)盘区上盘残矿在第三分层回采过程中，顶板厚度为1 m时，最大拉应力为0.94 MPa，相对第一分层和第二分层，拉应力突然得到释放，顶柱将发生破坏。

(2)为保证安全，盘区上盘残矿回采最佳顶柱安全厚度为2 m。

参考文献：

[1]彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2008.

[2]陈育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]．北京：中国水利水电社出版社，2009.

[3]黄 敏．铜绿山矿充值体下残矿回采关键参数数值模拟优化研究[D]．长沙：中南大学，2012：1-93.

[4]黄 敏，孙 磊，崔 松，等．铜绿山矿-245 m中段盘区残矿回收采矿方法试验研究[R]．长沙：中南大学，2011：1-121.

[5]陈小康．露天坑下残矿回收安全控制技术研究[D]．长沙：中南大学，2010：1-76．