基于FLAC3D数值模拟的某钨矿缓倾斜矿体采场矿柱稳定性研究

左国义，刘洪兴，张吉勇

·采 选·

基于FLAC3D数值模拟的某钨矿缓倾斜矿体采场矿柱稳定性研究

左国义1，刘洪兴2，张吉勇2

（1.江西浒坑钨业有限公司，江西吉安 343205；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000）

针对采用全面采矿法的矿山，其采场矿柱的位置与尺寸留设一直是矿山安全高效生产关注的问题。通过对某钨矿缓倾斜矿脉采场回采过程中的矿柱留设进行数值模拟研究，采用FLAC3D三维有限元数值模拟软件建立采空区、围岩单元模型。根据采场周围应力、应变的计算结果显示，整个采空区顶板沉降均匀，顶板围岩位移呈拱形分布，开挖区间中部位移值略大于两侧，采场布置3排矿柱可以保障整个采空区的稳定性，为矿山采场开挖及采空区稳定提供科学依据。

缓倾斜矿体；回采；矿柱；数值模拟

某钨矿山的矿脉倾角较小，矿体倾角小于55°，矿山采用全面采矿法进行开采，但采用全面采矿法开采时，采场的矿柱一般都是凭现场的工程经验来留设，矿柱的位置和尺寸的确定都没有理论技术的支撑，因此容易导致采场的顶板有时会产生冒落和矿柱岩爆的现象产生［1～3］，给矿山的安全、高效开采带来极大的不便。

为了研究采场开挖及采空区稳定性情况，确定矿柱布置间距与采空区稳定性的关系，将采用数值模拟的方法，对矿山＋40 m中段矿体采场开挖及采空区进行数值模拟研究［4～7］。本文采用FLAC3D三维有限元数值模拟软件建立采空区、围岩单元模型，并且进行运算。通过分析采空区周围不同水平、不同剖面的最大主应力和最小主应力云图、剪应变增量云图及矿柱位移图，研究采场周围应力、应变情况，为矿山采场开挖及采空区稳定提供科学依据。

1 计算模型的建立

1.1确定材料力学参数

根据矿山地质资料，矿脉是由块状含矿石英脉、条带状含矿石英脉及蚀变花岗岩组成的复合状脉体，围岩主要为花岗岩，根据有关资料［8］和室内岩石力学测试结果，材料的具体力学参数见表1。

表1 材料力学参数

1.2模型建立

本次数值计算，模拟了矿山＋40 m中段的矿脉回采，矿脉倾角为40°，布置3排矿柱回采时采场的稳定性。模型分为空区、围岩和矿柱三大部分，采场斜长为100 m，宽度为40 m，其中矿柱大小设为3 m ×3.5 m。由于地下开挖会对周围一定范围内有影响，因此，整个模型的长、宽、高为采场长、宽、高的3倍。计算模型如图1所示［9］，矿柱分布如图2所示。

图1 40°倾角矿脉采场模型

图2 采空区3排矿柱分布图

图3 40°倾角采空区3排矿柱塑性区分布

2 计算结果与分析

在计算结果进行分析时，对计算后的模型进行垂直于Y轴（y＝134）的二维剖切，研究采空区不同部位的塑性区分布规律，如图3所示。

图4 矿柱的最小主应力云图

图5 矿柱的最大主应力云图

图6 矿柱的剪应变增量云图

图7 矿柱的垂直位移云图

从图3可以看出，在矿脉倾角为40°时，布置3排矿柱，整个采空区只在边缘有少量塑性区分布，采空区的顶板、底板几乎不存在塑性区分布。初步考虑在矿脉倾角为40°时，设计布置3排矿柱。为进一步确定布置3排矿柱是否能保证采空区的稳定性，通过分析采空区剖面（垂直y轴）及每排矿柱剖面（垂直x轴）的最小主应力和最大主应力云图、剪应变增量云图及矿柱垂直位移云图，加以验证。其应力、应变及位移云图如图4至图19所示。

图8 第1排矿柱剖面及周围采空区的最小主应力云图

图9 第1排矿柱剖面及周围采空区的最大主应力云图

图10 第1排矿柱剖面及周围采空区的剪应变增量云图

图11 第1排矿柱剖面及周围采空区的垂直位移云图

图12 第2排矿柱剖面及周围采空区的最小主应力云图

图13 第2排矿柱剖面及周围采空区的最大主应力云图

图14 第2排矿柱剖面及周围采空区的剪应变增量云图

图16 第3排矿柱剖面及周围采空区的最小主应力云图

图17 第3排矿柱剖面及周围采空区的最大主应力云图

图18 第3排矿柱剖面及周围采空区的剪应变增量云图

图19 第3排矿柱剖面及周围采空区的垂直位移云图

通过以上采空区的最小主应力、最大主应力、剪应变增量及垂直位移云图分析也可得出：3排矿柱承受的最大压应力均在5 MPa左右，每个矿柱受力均匀不存在明显的应力集中；在第1排矿柱的顶板附近区域及3排矿柱底板附近区域都存在较明显的张拉应力集中，最大张拉应力为5 MPa左右；采空区顶板、底板及矿柱剪应变增量，较四周围岩剪应变增量较小，但采空区四周围岩剪应变增量绝对值最大值也仅为5.37×10－3；整个采空区顶板沉降较均匀，没有出现整体或局部较大的沉降，顶板围岩沉降最大值仅6.0 mm。综上所述，在矿脉倾角为40°时，布置3排矿柱，可以保障整个采空区的稳定性。

3 结 论

通过对某钨矿＋40 m中段缓倾斜矿体的矿脉回采进行数值模拟，并对模拟结果进行分析、对比，得到如下几点结论。

1.模型规整，应力加载条件以及边界条件约束适当，采场初始应力模型并未出现应力突变的等异常情况，与实际情况大体一致。

2.通过对采空区围岩、顶板、底板与矿柱的应力分布情况及变化规律进展分析，矿柱与上下围岩接触部位应力值较大，是易发生拉伸与压缩破坏的脆弱部分；采空区四周围岩，是易发生剪切破坏的脆弱部分。

3.整个采空区顶板沉降均匀，顶板围岩位移呈拱形分布，开挖区间中部位移值略大于两侧。

4.矿脉倾角40°时，采场布置3排矿柱（3 m× 3.5 m）可以保障整个采空区的稳定性，为矿山安全、高效和充分地回收地下资源提供参考价值。

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Study on the Stability of Ore Pillar in a Tungsten Gently Inclined Ore Body by FLAC3DNum erical Sim ulation

ZUO Guo-yi1，LIU Hong-xing2，ZHANG Ji-yong2
（1.Jiangxi Hukeng Tungsten Industry Co.，Ltd.，Ji’an 343205，China；2.China School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

Aiming at the breasting method of mine，the stope pillar of the position and size of the design has been concern ofmine safety，production problems.Under the numerical simulation study of ore pillar setting in mining of a tungsten gently inclined ore body，using FLAC3D3D finite element numerical simulation software to establish the model of goaf and surrounding rock.According to themining field around should stress and strain calculation results，it show that the whole of the gob roof uniform settlement，displacement of surrounding rock of roof was vaulted distribution，the value is slightly larger than that on both sides of themiddle of the range displacement of excavation，mining field arrangement of three rows of pillars can guarantee the stability of the gob area，which provides scientific basis formine stope excavation and goaf stability.

gently inclined ore body；mining；ore pillar；numerical simulation

TD322＋.1

：A

：1003－5540（2016）06－0001－05

2016－10－20

江西省科技支撑计划项目（20132BBG70021）

左国义（1967－），男，工程师，主要从事采矿技术与爆破工程方面的研究工作。