基于FLAC3D多矿房同采围岩的稳定性研究

许永山 孙忠文 曲玉峰 高 涛 曲军舰

(1.山东恒邦冶炼股份有限公司；2.烟台恒邦集团有限公司)

基于FLAC3D多矿房同采围岩的稳定性研究

许永山1孙忠文2曲玉峰1高 涛1曲军舰1

(1.山东恒邦冶炼股份有限公司；2.烟台恒邦集团有限公司)

矿体开采将引起周围岩体应力的重新分布，当二次应力大于岩体的强度，将使岩体破坏，导致地压灾害。地压灾害的发生还与岩性、采场结构参数及回采顺序有关，不同的回采顺序具有不同的地压显现规律。运用数值模拟软件FLAC3D，对某矿进行了多矿房同采条件下的围岩稳定性分析，取得了良好的模拟效果。

多矿房开采 围岩稳定性 分段落矿阶段矿房采矿法

岩体是一种既复杂又非线性、非均质的地质结构体，采矿和岩石开挖工程所涉及到的岩体介质的性质、岩体取样的代表性、力学参数的试验方法和标准，样品试验技术和环境条件等岩石工程力学问题，通常无法用常规的解析法简单求解。在求解非线性、非均质岩体开挖条件下的力学问题时，FLAC3D数值模拟方法具有广泛的适用性和强大的优势，不仅能分析各种边值问题和开挖施工的过程，而且可以很方便地模拟岩体的复杂力学特性与结构特性，计算出应力、应变等多种力学指标，并对岩体开挖工程所引起的周围岩土体的应力、应变和位移进行预测和预报[1-2]。

1 矿区地层

某矿区出露的地层由老至新包括：元古界板溪群(Ptbn)构成本区的基底，该层岩性主要由千枚岩组成，大片出露于矿区南部；下石炭统华山岭组(C1h)以红色岩层的河流相沉积为特征，主要为粗细碎屑岩夹砂质页岩，厚度28～69 m；下石炭统梓山组下段(C1z1)，以河流相-河沼相的粗细碎屑岩、黏土岩夹薄煤层为特征，厚29～61 m；下石炭统梓山组上段(C1z2)，以滨海-湖沼相-浅海相的细碎屑岩、黏土岩夹泥灰岩和薄煤层(或含炭页岩)为特征，厚39～69 m；中上石炭统壶天群下亚群(C2-3ht1)为滨海浅滩相沉积的钙质中碎屑岩、钙质页岩和白云质碳酸盐岩，厚28～39 m；中上石炭统壶天群上亚群(C2-3ht2)主要为咸化浅海相的白云质岩石，厚139 m；白垩系新余群(Exn)为近山麓相的红色砾岩和砂岩，广泛分布于矿区北部，多被第四系覆盖，厚度大于390 m。

2 矿体开采技术条件

该矿体开采技术条件较差，矿体赋存于黏土页岩和岩浆岩的结合部位，整个矿体受F1和F3东南方向断裂破碎带控制，矿石以原生黄铜矿为主，胶状黄铁矿和黄铁矿次之。黄铜矿、黄铁矿中裂隙发育，岩体完整性较差，岩体普氏系数f=8～12，矿体在没有断层破坏时，稳定性较好。

北东向常有8～15 m的破碎带；北西、南北向断层破碎带宽3～9 m，剪切节理带宽2～4 m。受这些断层破碎带的影响，特别是在断层交叉处，岩体稳定性极差，基本属于最不稳定类岩层。此外在砂岩中，走向19°～38°及 270°～350°两组断层附近的岩体裂隙普遍较发育，而且裂隙密度大，岩石常常被切割成块状，小块岩样强度虽大，但岩体整体稳定性较差，总体属于不稳定类岩层。

3 多矿房同采数值模拟分析

矿体开挖过程中将引起周围岩土体中的应力重新分布，应力分布不均，有的区域应力小于岩土体的强度，有的区域应力集中超过了岩体的强度，导致围岩结构破坏，造成矿体开挖过程中地压显现[3]。

研究不同数量矿房同时开采地压显现规律，有助于矿山管理者科学决策回采矿房的布置，采用FLAC3D数值模拟方法研究多矿房同采的稳定性，确定合理的采场结构参数和开采顺序，分析不同矿房回采过程中采场围岩中的应力、位移以及塑性区分布状况，对矿体开挖过程中的围岩稳定状态做出科学判断，在保证生产安全的前提下，合理布置多个矿房同时开采，最大限度地减少矿山开采成本，提高经济效益。

3.1 模型建立

该矿体深部开采范围从-235～-410 m，分-280，-325，-375，-415 m 4个中段。模拟过程中既要满足工程计算精度及可靠性的要求，又要考虑到计算机的计算速度，所以选深部开采的-375 m中段作为数值模拟研究的对象，建立计算模型。

由于矿体开采开挖过程对周围岩土体的扰动范围基本为开挖范围的3～5倍[4]，所以模拟模型尺寸取(长×宽×高)120 m×120 m×70 m，见图1所示。矿体模型厚度为25 m，倾角45°，矿块垂直矿体走向布置，中段高度为50 m，矿房底柱高度为13 m，矿房(柱)宽13 m，长为矿体水平厚度，见图2所示。模型中z轴为竖直方向，正轴向上，z=0平面为-375 m 中段水平；y轴方向为矿体走向；x轴方向为与矿体走向垂直。

3.2 矿岩参数

数值模拟所涉及到的地质体材料参数如表1所示。

图1 矿区计算模型

图2 矿体计算模型

表1 模型计算采用的材料参数

4 模拟过程及计算结果分析

采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)塑性破坏准则作为判据准则[5]。为探明矿房回采对矿柱及顶底板应力的影响，对同一采场3个矿房同时回采的情况进行数值模拟计算。结果见图3～图5。

图3 三矿房同时开采时塑性区分布

从图3可以看出，采用分段落矿阶段矿房采矿法，在同一中段水平对3个矿房同时进行回采，在矿体矿房的上、下盘围岩中产生了少量的塑性区分布，但由于分布区域没有连续性，且都不在顶底板的关键部位，因此不会对矿体顶底板的稳定性造成影响。

从图4、图5可以看出，在三矿房同时回采模拟计算中，顶板的拉应力在2.02～2.21 MPa，垂直方向上压应力为209.21～24.36 MPa，垂直方向上位移为1.97～2.48 mm。由此可知，采用分段落矿阶段矿房采矿法对三矿房同时进行回采是安全可行的。

实际开采过程中，矿房内出矿后要及时对爆露的采空区进行充填，充填体可有效缓解矿柱的应力集中状态，在一定程度上提高矿柱的整体稳定性，避免矿柱由于长时间暴露而发生屈服破坏。

图4 三矿房同时开采时应力云图

图5 垂直方向位移

5 结 语

(1)为保证FLAC3D数值模拟的可靠性，需根据模拟矿山的实际情况合理选择计算区域、选取岩体力学参数及其破坏准则、确定计算模型的边界约束条件。

(2)从数值模拟结果判断，该矿采用分段落矿阶段矿房采矿法，对三矿房同时开采是安全可行的。

[1] 闫长斌，徐国元，李夕兵.爆破震动对采空区稳定性影响的FLAC3D分析[J].岩石力学与工程学报，2005,24(16)：2894-2899.

[2] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[4] 施建俊，孟海利.采场结构参数与回采顺序的数值模拟优化研究[J].有色金属:矿山部分,2005,57(2):9-11.

[5] 王新民,王长军，张钦礼,等.基于ANSYS程序下的采场稳定性分析[J].金属矿山，2008,386(8):17-20.

Research on the Stability of Surrounding Rock Mass with Multi-chambers Mining Together Based on FLAC3D

Xu Yongshan1Sun Zhongwen2Qu Yufeng1Gao Tao1Qu Junjian1

(1. Shandong Humon Smelting Co.,Ltd.; 2. Yantai Humon Group Co.,Ltd.)

The surrounding rock mass stress can be redistributed by orebody mining, the rock mass can be damaged and the ground pressure disasters can be caused under the conditions of the secondary stress is greater than the strength of the rock mass. The occurrence of ground pressure disasters are related to the lithology, stope structure parameters and stoping sequence, the difference of stoping sequence with difference regularity of underground pressure occurrence. Based on FLAC3Dnumerical simulation software, the stability of surrounding rocks under the conditions of multi-chambers mining is analyzed, and the good simulation effect is obtained.

Multi-chamber mining, Stability of surrounding rock mass, Sublevel caving chamber mining method

2015-04-29)

许永山(1976—)，男，部长，工程师，264100 山东省烟台市牟平区北关大街628号。