基于FLAC3D的房柱法采场人工矿柱参数优化模拟

王 进，王晓军

（1.方圆（德安）矿业投资有限公司，江西 九江 330408；2.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

基于FLAC3D的房柱法采场人工矿柱参数优化模拟

王 进1，王晓军2

（1.方圆（德安）矿业投资有限公司，江西 九江 330408；2.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

基于某矿的开采现状，根据采场顶板围岩的应力分布和破坏机理，得出不同开采深度条件下的矿房宽度，根据覆载下充填体人工矿柱的力学分布特征，综合考虑采场与矿柱的几何特征、力学性质、原岩应力场的变化等因素得出各中段合理矿柱宽度，并借助数值分析软件FLAC3D分析人工矿柱结构参数对房柱法采场稳定性的影响，根据分析结果最终确定出合理的人工矿柱合理参数。

FLAC3D；房柱采矿法；人工矿柱；采场结构参数优化

0 引言

金属矿床地下开采中，当矿体倾角处于水平或缓倾斜时，一般选用房柱法开采[1]。即在矿块或采区内矿房和矿柱交替布置，回采矿房时留连续的或间断的规则矿柱以维护顶板岩层稳定[2]。当矿体为贵重金属矿时，一般采用人工矿柱代替原生矿柱，以减少矿石的损失[3]。

某矿山采用人工矿柱代替原生矿柱的房柱法进行回采时，人工矿柱结构参数多凭借经验法确定，缺乏理论分析，致使部分人工矿柱间距过大出现采场顶板冒落，局部矿体无法回采；部分矿柱尺寸过大，增加了充填成本、降低了工作效率，影响矿山正常生产；部分人工矿柱尺寸过小，矿柱发生破坏导致相邻两矿房贯通形成一个大矿房，势必造成采场大面积暴露，实际跨度过大而导致冒顶、坍塌破坏，而上覆岩层压力转移，有可能引起其他矿柱的破坏而产生连锁反应，从而给矿山生产带来巨大的安全隐患[4]。

鉴于此，本文在理论计算的前提下利用数值分析软件FLAC3D分析采场结构参数对房柱法采场稳定性的影响[5]，分析不同尺寸的人工矿柱在回采过程中对上覆岩体的支护作用，验证所选结构参数是否合理，并对下部中段采场结构参数进行指导。

1 采场结构参数计算

在-500 m中段开拓工程完成后，面临划分采场，确定矿房矿柱合理结构参数的问题，对于矿房的结构参数主要考虑矿房的跨度（由于矿房的高度为矿体的厚度），矿房的跨度越大，采场的生产能力越大，但其顶板的中间主应力极易变成拉应力造成顶板的拉伸破坏。因此采场结构参数的选取是关系矿山安全、经济开采的重要研究课题。

1.1 矿房宽度确定

刘松伟[6]在考虑顶板围岩的应力分布状态情况下，综合分析顶板上覆岩层压力、岩体力学特征等与矿房跨度关系，得出房柱法矿房宽度确定的理论计算公式。

式中：b为矿房宽度，m；λ为侧压力系数，取0～1；γ为矿石的容重，t/m3；H为开采（顶板距地表）深度，m；α1为顶板的许可抗拉强度，t/m2。

根据式（1），结合矿山实际情况及相关矿山资料，代入相关参数取值，得到图1所示的矿房宽度与开采深度的关系曲线。

由图1曲线结合具体计算结果分析可得井下各中段矿房合理宽度，见表1。

图1 矿房宽度与开采深度的关系曲线Fig.1 Relationship curves of the stope width and mining depth

表1 井下各中段矿房合理宽度Tab.1 Reasonable width of stope in the middle section

1.2 矿柱宽度确定

对于人工矿柱的合理设计，在数学建模方面已经做了很多的研究工作[7]，由于对充填人工矿柱作用的认识不同，许多研究认为人工矿柱的作用是承受采场地压，设计时要求矿柱具有支撑围岩的作用，因此，采用了传统原生矿柱设计的方法，如面积承载理论来设计人工矿柱的尺寸[8]。这种设计往往使矿柱尺寸设计过大，并且深部回采，以这种方法计算得到的人工矿柱尺寸很不合理。所以，对人工矿柱的合理尺寸应有新的计算方法。

取得的研究结论证明，矿体埋藏在600～800 m以下为深部开采，进入深部开采后，承受高应力的同时，开采空间对周边岩体产生强烈扰动，加大了回采空间形成的塑性区。根据普氏地压理论，深部回采时，开采空间顶板上方较大的扰动应力重新分布后可形成一个拱形卸压区。该区域内的岩体在高应力作用下极易向塑性转化。理论分析与开采实践表明，如果相邻两个开采空间之间的矿柱因屈服而出现大的压缩变形，则其上部顶板岩层也将随之出现大的下沉。那么，发展到一定程度时，两个相邻空间上方原来较小的免压拱便有可能渐趋合并，从而在屈服矿柱的上方形成一个大的免压拱。而人工矿柱由于其弹性模量远小于原生矿柱，所以，矿柱一旦承载将出现较大的压缩变形，随之顶板下沉使原来被矿柱分隔的矿房顶板上方较小的免压拱渐趋合并，在整个开采空间上方形成较大的免压拱[9]。

由此可见，人工矿柱的承载机理主要是一种被动让压的支护形式，其力学作用主要是防止采场围岩的进一步移动，改善其受力状态，同时提高其稳定性，可以说人工矿柱支撑的是采场免压拱内的松脱地压，而非全部地压。因此只要人工矿柱能承担免压拱塑性区范围内岩层的重量，就能长期保持稳定而不破坏。

据此推得人工矿柱宽度的计算公式[10]：

式中：B为人工矿柱的宽度，m；H为开采的深度，m；n为强度折减系数；c为岩体内聚力，MPa；γ为围岩的容重，t/m3；φ为岩体内摩擦角，（°）。L为开采空间跨度，m；N为人工矿柱的个数；h为开采空间高度，m；Sp为实验室测试强度值，MPa；γ1为人工矿柱容重，t/m3。

根据公式（1）计算得到各中段矿房合理宽度，代入公式（2）可以得到人工矿柱的宽度取值与矿柱承载力的关系曲线（见图2）。通过计算得出：该矿-500 m，-540 m，-580 m三个中段矿房合理宽度分别为 10 m，10 m，9 m。

图2 人工矿柱宽度与矿柱承载力关系曲线Fig.2 Relationship between the width of artificial pillar and the bearing capacity of pillar

经测试，人工矿柱试样的单轴抗压强度为4.7MPa，现场充填的人工矿柱由于赋存环境，施工工艺过程不同，必须进行强度折减，根据经验折减系数取1.5，则人工矿柱在赋存环境中的极限抗压强度为3.1MPa，在小于矿柱极限抗压强度的前提下，充分考虑安全因素，对应图2曲线得到各中段人工矿柱的合理宽度分别为 6 m，6 m，4.5 m，如表 2。

表2 深部中段人工矿柱宽度计算结果Tab.2 Calculation table of artificial pillar width in deep middle section

2 采场结构参数数值模拟

2.1 模型基本假设

为研究某矿深部采场的稳定状态，分析理论设计参数下各中段矿体回采过程对整体稳定性的影响，计算范围主要包括-500 m、-540 m和-580 m三个中段，计算过程依据从上往下每个中段依次回采，其中-460 m以上中段基本回采完毕，后期回采矿体中段高度为40 m，回采方式为先回采矿柱后对开挖空间进行块石胶结充填，然后回采矿房[11]。

为便于模型的建立和计算，研究采用简化程序和条件假设。

（1）为简化模型，只考虑矿柱、矿房的回采以及矿柱充填等过程，虽然房柱采矿法中存在竖井、阶段运输巷道以及人行井、穿脉等掘进工程，但这些工程对采场稳定性的影响较小，因此在建模过程中将其忽略。

（2）模型中岩体和充填体均视为均质、各向同性的连续介质。

（3）仅考虑地应力及重力对模型的影响，忽略地下水、爆破冲击波、地震波等因素对围岩稳定性的影响。

（4）计算范围内没有大断层，忽略矿体与围岩中裂隙、结构面的存在与影响。

（5）模型中矿体倾角与厚度都取平均值，矿体倾角为30°，矿体的平均厚度为6 m。

2.2 计算模型及力学参数

在岩石地下工程中，为确定合理边界，一般取开挖空间半径的3～5倍区域作为研究范围；为得出深部矿体回采矿柱与围岩的实际受力状态与变形规律，利用FLAC3D软件建立三维几何模型，根据该矿山实际情况，假设沿矿体走向为x方向，垂直矿体走向为y方向，铅垂线方向为z方向。整个模型规格X×Y×Z为 1 200 m×1 000 m×1 000 m，其中矿体层厚度为6 m，并根据岩体力学特性的不同，建立上盘围岩模型和下盘围岩模型。

FLAC3D软件是一种有限元模拟软件，能够很好地模拟岩体中的断层、节理等结构面的滑动，对矿山实际回采情况的模拟相对较为准确，对矿山的开采具有一定的指导意义，本次矿体网格单元尺寸精度为4，矿体上盘围岩网格单元尺寸精度由内向外分为4、12、20，矿体上盘围岩网格单元尺寸精度由内向外分为 8、12、20，一共生成 119 063 个节点，686 723个单元[12]。网格划分采用渐变模式，核心部位的划分最密，在重点研究区域，采用均匀划分网格的方式。如图3、图4所示。

图3 矿体网格划分图Fig.3 Mesh diagram of ore body

图4 整体网格划分图Fig.4 Integral mesh graph

由于模型的顶部有390 m的上覆岩层，故在模型顶部施加均布载荷，载荷大小依据岩体自重进行计算。具体材料力学参数参照见表3。

表3 矿岩及充填体力学参数Tab.3 Mechanical parameters of the ore rock and backfill

2.3 模拟结果及其分析

由于人工矿柱作为关键的承载部位更容易发生破坏，同时作为人工矿柱的块石充填体强度远低于矿岩体强度。因此此次模拟结果主要分析深部采场回采过后人工矿柱的变形情况及塑性区分布情况，从而分析了理论设计的人工矿柱尺寸是否合理。

图5分别是-500 m、-540 m和-580 m三个中段的人工矿柱回采模拟模型，对比三个中段人工矿柱剪切屈服区域的面积，可以发现，-580m呈现剪切屈服的面积最大，-540 m次之，-500 m最小，因此，随着深部矿体的回采，人工矿柱承受的剪切应力在逐渐增大。

图5 深部中段人工矿柱回采后塑性区分布Fig.5 Distribution of plastic zone after artificial pillar extraction in deep middle section

结合塑性区分布图可以看出并得出结论：随着回采深度的增加，采场塑性区范围并没有出现很大的改变，仅人工矿柱呈现剪切屈服的区域面积在逐渐增大，但人工矿柱中没有出现较大塑性破坏区，说明深部矿段采场的结构参数能够较好地控制岩体拉伸塑性区的产生，以保证安全生产。

3 结论

通过计算得出：该矿-500 m，-540 m，-580 m三个中段矿房合理宽度分别为10 m，10 m，9 m；人工矿柱合理宽度分别为6 m，6 m，4.5 m。利用三维数值建模的方法建立了矿山总体各中段数值模型，并对各中段矿柱回采—矿柱充填—矿房回采这一实际过程进行了数值模拟，模拟结果显示采场结构参数合理安全，深部各中段设计的结构参数能保障采场顶板的稳定性。故该人工矿柱合理宽度计算方法对采用类似采矿方法开采的采场结构参数选取具有一定的参考意义。

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Parameter Optimization of Artificial Pillar in the Room and Pillar Method based on FLAC3D

WANG Jin1,WANG Xiaojun2
(1.FangYuan(Dean)Mining Investment Co.,Ltd.,Jiujiang 330408,Jiangxi,China;2.Faculty of Resource and Enviroment Engeering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Different mining depths under the conditions of the stope width were obtained on the basis of the stope stress distribution and failure mechanism of the surrounding rock.Then,the reasonable pillar width in the middle section is calculated in accordance with the mechanical distribution characteristics of the artificial pillars under the overburden and the geometric characteristics,mechanical properties and the variation of the original rock stress field.Numerical analysis software FLAC3Dis used to analyze the influence of the structural parameters of artificial pillar on the stability of stope with room and pillar method.According to the analysis results,reasonable parameters of artificial pillars are determined.

FLAC3D;room and pillar method;artificial pillar;stope structure parameters optimization

TD35；TD322+.1

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.006

2017-07-28

王 进（1981-），男，安徽枞阳人，工程师，主要从事采矿工艺研究和岩体稳定性分析工作。

王晓军（1979-），男，山西晋中人，副教授，主要从事采矿工艺研究和岩体稳定性分析工作。

（编辑：刘新敏）