基于FLAC-3D的地下转露天复杂采空区安全顶板厚度确定

孙世国，苗子臻，张玉娟，解禹

基于FLAC-3D的地下转露天复杂采空区安全顶板厚度确定

孙世国，苗子臻，张玉娟，解禹

（北方工业大学土木工程学院，北京，100144）

为了保证矿山安全生产，采空区安全顶板厚度对保证安全有着重要作用。以紫金山金铜矿地下转露天采区为例，基于FLAC-3D数值模拟方法，以不同安全顶板厚度数据，对采区不同顶板厚度稳定性开展了研究。研究结果表明：紫金山金铜矿采区最小安全顶板厚度为45 m，开采方案顶板设计厚度为56 m时，采区顶板区域塑性区未连通，不会发生破坏，但矿柱区域塑性区有连通现象，需作相应处理。

FLAC-3D；地下转露天；采空区；安全顶板厚度

引言

近年来，随着经济的快速发展，社会对矿产资源的需求急剧增加，矿产开采力度加大，许多矿山由地下开采转为露天开采。地下转露天开采使得矿山企业效益显著提升的同时，也带来了许多安全问题[1-4]。其中，地下采空区上方预留安全顶板作为控制地下开采与露天开采之间的相互影响，解决采场塌陷、突水等事故的重要措施，其厚度的确定十分关键。顶板厚度过小，容易引起顶板产生离层垮冒、折断垮落，严重影响井下设备及工作人员的安全；反之，顶板过厚，因其回采率较低，开采难度较大，开采效益较低，易造成资源的浪费。目前，国内外确定安全顶板厚度的方法主要包括K.B.鲁别捏依塔法、B.N.波哥留波夫法、平板梁理论推导法、工程类比法、厚跨比法、荷载传递线交汇法、数值分析法等。其中数值分析方法，因其能够从整体上模拟复杂采空区的应力分布规律及变形趋势，计算效果良好，从而被广泛应用[5-8]。因此，本文基于FLAC-3D数值模拟方法，对紫金山金铜矿复杂采空区不同顶板厚度稳定性进行研究，确定了其安全顶板厚度，为矿山安全开采提供了技术支持及科学依据。

1　工程概况

紫金山金铜矿区位于福建省上杭县城以北约26 km处。矿区初期采用露天与地下联合开采，而后转为露天开采，矿区露天采场底部设计标高为+616 m，采场上部最高标高为+1 096 m，上口面积1 020×700 m2，下口面积184×85 m2，到界边坡最大高差480 m，属高陡边坡。根据矿区工程地质条件，结合矿区多为低品位矿石的特点，矿区前期采用大直径深孔阶段空场法进行井采，然后采用崩落法和房柱法进行回采，应用“采一留一”或“采一留二”回采方式，先采矿房，保留矿柱，矿柱高度50 m[9,10]。

目前已在标高+520 m中段和+460 m中段形成多个矿房，矿房平均跨度15 m，长度分为30 m、60 m、80 m、120 m四种。后期经过露天开采，露天矿区现已形成单台阶高度为12 m的采场边坡地形，台阶坡面角60°～70°。

2　安全顶板厚度确定的数值模拟研究

2.1模型的建立

根据矿区开采设计方案，结合现场开采情况，选取具有代表性的1-3剖面采区，依次建立了露天开采底标高为+652 m、+640 m、+628 m、+616 m、+604 m时的地下转露天开采模型，相应的顶板厚度分别为92 m、80 m、68 m、56 m、44 m。模型长度为2 000 m，宽度为135 m，高度为950 m，模型及网格划分如图1所示。

图1　地下转露天开采数值计算模型

2.2岩体参数的选取及边界条件的确定

根据矿区地质勘察资料及岩体试验结果，综合确定各岩体力学参数如表1所示。相应边界条件为：前、后边界施加Y方向位移约束，底部边界施加X、Y、Z方向位移约束；露天采场底部作用荷载按1台225 t挖掘机施工重量考虑。

表1　岩石力学参数

2.3模拟结果分析

随着开采的进行，露采境界线下移，采区周围岩体在自重及其他荷载作用下产生移动及变形。因岩体一旦进入塑性状态，其强度及承载力将明显降低，因此，将围岩塑性区的大小及贯通性作为采区稳定性的评判标准[11]。其中顶板厚度为68 m、56 m、44 m时采区1-3剖面塑性区分布如图2～图4所示。

图2　顶板厚68 m时模型塑性区分布图

从图中可以看出，采区塑性区主要分布在顶板中部、矿柱、露天采场底部边角及采空区两帮。当顶板厚度为68 m时，由于拉应力作用，顶板中部有零星塑性区出现；顶板厚度为56 m时塑性区分布范围有所增加，但仍未贯通，顶板尚未发生破坏；顶板厚度为44 m时塑性区范围显著增加，出现明显贯通，顶板发生破坏。且随着顶板厚度的减小，顶板传递给空区两帮的压应力减小，两帮受压产生塑性区明显减少；随着顶板厚度的减小，露天采场底部边角因顶板自重作用而产生的拉应力急剧减小，边角处塑性区分布显著减小。

图3　顶板厚56 m时模型塑性区分布图

图4　顶板厚44 m时模型塑性区分布图

为使安全顶板厚度精确至1 m，根据上述分析，应用二分法原理对44 m～56 m范围内不同顶板厚度采区稳定性进行模拟分析，最终确定采区最小安全顶板厚度为45 m，此时采区塑性区仍未贯通，顶板仍未破坏，其塑性区分布图如图5所示。

3　结束语

通过对紫金山金铜矿复杂采空区不同顶板厚度稳定性进行数值模拟研究，可得出以下结论：

（1）采区塑性区主要分布在顶板中部、矿柱、露天采场底部边角及采空区两帮，且随着顶板厚度的减小，矿柱、露天采场底部边角及采空区两帮塑性区范围逐渐减小，顶板中部塑性区逐渐增加，不利于顶板安全。

图5　顶板厚45 m时模型塑性区分布图

（2）紫金山金铜矿采区最小安全顶板的厚度为45 m。露天采场底部设计标高+616 m，顶板厚度为56 m时，采区顶板区域塑性区未连通，不会发生破坏，但在矿柱区域塑性区有连通现象，需作相应处理。

国家自然科学基金(41172250)；国家十二五科技支撑项目(2012BAK09B06)；北京市创新团队提升计划项目(IDHT20140501)；北京市科研基地建设－科研创新平台、科研专项－冲击地压微震监测与预警体系的构建(XN083)；新型锚杆加固技术现场试验研究及研究生能力实训(XN107)

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[10]关宇. 复合开挖扰动下边坡稳定性评价方法的研究[D]. 北京:北方工业大学, 2013.

孙世国(1959-)，男，教授，博士后，博士生导师，北方工业大学矿山安全与岩土工程研究中心主任，土木工程一级学科责任教授，国家和北京市政府安全生产专家组成员，中国岩石力学与工程学会理事，国际工程地质与环境协会中国专家组成员。

苗子臻，男，硕士研究生，主要从事岩土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Study on Security Coping Thickness of Complicated Goaf of Mining Converted from Underground to Surface based on FLAC-3D

SUN Shi-guo, MIAO Zi-zhen, ZHANG Yu-juan, XIE Yu
(College of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing, 100144, China)

The determination of security coping thickness of complicated goaf is of great significance to the mine safety production. In order to determine the security coping thicknes of the complicated goaf of ZiJinShan gold copper mine converted from underground to surface based on the FLAC-3D simulation method, the stability of goaf with different coping thickness was researched. The study results show that the minimum security coping thickness in ZiJinShan gold copper mine is 45 m. When the design of coping thickness is 56 m, the plastic zone of coping area in goaf is not connected, so that the goaf is not damaged. However, the plastic zone of pillar area is connected, so corresponding measures should be taken to ensure the safety of mining.

FLAC-3D; Mining Converted from Underground to Surface; Goaf; Security Coping Thickness

TU473

A

2095-8412 (2016) 05-837-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.001

[11]万文. 地下空区对边坡稳定性的影响研究[D]. 长沙: 中南大学, 2006, 10.7666/d.y1190362.