顶柱稳定性的FLAC3D数值模拟研究

李何林 胡 崴

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000)

徐楼铁矿石楼一矿带位于闪长岩与大理岩接带，或其附近的大理岩内，沿闪长岩床上下两侧矿体呈水平状，矿体埋深从60～160m。上覆有第四系岩层，顶底板主要为大理岩和闪长岩，但其厚度较薄。矿体埋藏于侵蚀基准面及地下水位之下，矿床以充水岩层、孔隙岩层为主。矿体走向基本为东西向，在走向方向，矿体埋藏西高东低，整个矿体分三步回采，一、二步回采矿块，三步回采间柱和顶柱。

开采防水顶柱，主要是要防止由于顶柱采动，地表或含水层经导水裂隙带下泄至采空区造成淹井事故，然而，井下开采对顶板岩层以及导水裂隙带发育高度的影响是个非常复杂的问题，因地质条件不同，不同矿山存在极大差异。本研究借助计数值模拟手段，对徐楼－45 m防水顶柱的回采过程进行分析，为矿山安全、高效开采提供依据和指导。

1 数值模型的建立

1.1 基本假设

(1)岩性，将岩体视为均质、各向同性介质［1］。

(2)初始地应力，徐楼铁矿，初始地应力场仅按自重应力场考虑。

(3)开挖，矿体开挖过程为一次形成，不考虑时间效应［2］。

1.2 模型的几何尺寸

X方向为矿体走向方向，取待回采的顶柱长度的3～5倍(700 m);Y方向为矿体倾向方向，取采场推进长度300 m;Z方向为矿体埋深方向，取值大小为400m。模型长×高×宽为700 m×400 m×300 m(见图1)。

图1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D M odel

1.3 模型岩体参数的确定

以岩石力学实验提供的岩石力学数据为基础，按数值模拟需要，对力学参数进行折减(按类似矿山地下工程经验及徐楼铁矿岩体完整性系数，参数折减系数取0.3～0.5)，岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数Table1 The physical and mechanical properties of the rock

1.4 数值模拟计算方案

对－45 m以上防水顶柱分层开采过程采场顶板的受力情况进行分析。由于岩体抗拉强度很低，当采场围岩中出现拉应力区时，该区域内岩体极易发生张性破坏，破坏范围与拉应力影响范围密切相关，故本次模拟主要对顶板岩层最大主应力进行分析，根据顶板岩层的最大主应力的大小及分布情况，确定不同的顶柱回采高度对顶板岩层的稳定性的影响。采用3、6、9 m 3种不同的回采高度分别进行计算，具体情况如表2所示。

表2 数值模拟计算方案Table2 Numerical simulation p lan m

2 计算结果及分析

3 种不同的分层高度开采后，顶板的最大主应力分布特征如图2、图3和图4所示。

由图2、图3及图4分析可知，3种不同分层厚度顶柱回采，其拉应力具有相同的分布规律，拉应力在水平方向分布于整个采场顶板，在竖直方向分布于采空区顶板以上高度约12～15m;最大拉应力位于采场顶板中心位置，并从顶板中心向四周递减;回采3、6和9 m顶柱时，最大拉应力值为分别为0.60、0.61和0.63 MPa，随着回采高度的增加，最大拉应力值略有增大。

图2 回采3m顶柱时最大主应力云图Fig.2 M aximum principal stress nephogram of 3 m need le stoping

图3 回采6m顶柱时最大主应力云图Fig.3 M aximum principal stress nephogram of 6 m needle stoping

图4 回采9m顶柱时最大主应力云图Fig.4 M aximum principal stress nephogram of 9 m needle stoping

3 结论

(1)不同厚度顶柱回采其拉应力分布具有普遍规律，随着回采厚度的增加，拉应力分布范围和最大拉应力值不会发生明显的变化，因此，在一定范围内不同厚度顶柱回采对顶板稳定性影响较小。

(2)根据拉应力的分布情况，可以认为在顶柱回采作业时影响范围为空区上方约12～15 m的矿岩体。故为保证回采安全，应在采空区与风化带(风化带裂隙较发育，与含水层相连)之间至少预留厚度为15 m的矿岩体作为隔离层。

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