博伦七角井铁矿空场嗣后充填采场稳定性数值模拟分析

赵永平，孙 利，徐志友

（肃北县博伦矿业开发有限责任公司，甘肃 酒泉 736101）

博伦七角井铁矿区位于肃北县马鬃山镇西南，距离柳园镇60km，为大型铁矿山，资源条件良好，然而，在多年开采过程中，矿山逐渐出现资源开发规划不明、资源利用率不高、矿量积压严重、井下采空区安全隐患大等问题，极大地影响了矿山的可持续发展。为充分保护和利用矿产资源，博伦七角井铁矿提出了利用充填法进行回采的思路，为确保回采安全，选择最佳的充填工艺，需对充填工艺进行研究。

在充填工艺研究过程中，为确保回采安全和研究针对性，七角井铁矿优选数值模拟技术，拟通过较为贴近现实的数值模拟技术，研究矿体回采过程中采空区的稳定性。

1 分析方法

七角井铁矿开采后，沿矿体走向每50m将留下8m宽的矿柱作为支撑作用，矿柱高为3个中段高195m、宽为矿体平均厚度。为了更好的验证矿柱对顶板的支撑效果以及矿柱自身的稳定性，在此采用Flac3D数值模拟的方式，对东、西区铁矿的开挖进行模拟，通过对开挖后矿柱及顶板的应力分布、位移变化等分析，判断矿柱及顶板的稳定性。

（1）模型的建立。①几何模型根据矿体实际赋存条件，建立三维几何模型，其中沿矿体走向为y方向，垂直矿体走向为x方向，铅垂线方向为z方向。模型沿矿体走向取1000m，垂直矿体走向取150m，垂直高度取800m。单元数共有243600个，节点有257517个。②模型边界条件，对模型采用位移约束，模型左右两平面进行x方向位移约束，模型前后两平面进行y方向位移约束，模型底部进行z方向位移约束。于开挖处矿体埋深较浅，约225m，因此原岩应力场主要受自重应力场控制，可忽略构造应力场的影响。③矿岩体物理力学参数矿岩体物理力学参数见表1。

表1 七角井矿岩石物理力学参数测试结果

（2）初始应力场采用弹塑性求解的方法改变强度参数，进而生成初始应力场，即为了避免计算过程中出现屈服区域，把抗拉强度与粘聚力设定为大值，采用弹塑性模型求解，至最终计算平衡，再把抗拉强度和粘聚力改变为分析所采用的值，然后计算直到最终平衡状态。计算结果显示，模型下边界竖向应力值为10MPa～10.4MPa。

（3）开采模拟与结果分析。本次模拟主要分为3个步骤，第1步骤是对一个中段矿房进行开采，矿房开采后不进行充填处理，矿房高为65m，待矿房开采完后，计算直至平衡；第2步骤是一个中段矿房开采完后，对矿房进行充填，计算直至平衡；第3步骤是将3个中段矿房全开采完并充填，计算整个区域的稳定性情况直至平衡。第1步骤开采后，、最大主应力云图分别见图1。

图1 步骤最大主应力云图

从分析可知，，矿房开采后，最大位移发生在顶板的中央，最大沉降为46.6mm；矿柱的最大位移出现在顶部支撑位置为60mm～80 mm；矿房底鼓最大为20mm～37mm，位于矿房底板的中央。矿房开采后，矿柱的水平最大位移均发生于矿柱的右侧，为4mm，方向为Y轴的负方向，即向左侧发生的位移，而左侧矿柱未发生位移。塑性区主要分布于矿房的顶板、底板还有矿柱的底部和两侧位置。其中矿房顶板和底板主要在开采过程中产生的塑性变形，破坏方式主要为拉伸破坏；矿柱的底部和两侧主要发生的是剪切破坏，矿柱底部塑性区比例较大，并且仍在发生破坏，存在一定安全隐患。从最大主应力图可知，应力集中区域为矿柱的底部位置，最大压应力为10.5MPa。综上可知，将1个中段矿房开采完不进行充填的情况下，留8m矿柱存在一定的安全隐患，矿柱底部局部会发生破坏，可能难以长时间保持稳定。

第2步骤开采后，竖向位移云图、水平位移云图分别见图2～3。

图2 2步骤竖向位移云图 图3 2步骤水平位移云图

从竖向及水平位移云图可以看出，空区顶板最大下沉量为48 mm,矿柱沿矿体走向方向（Y方向）的最大位移1.7mm。由计算结果可知，充填体有效的限制了矿柱的水平位移，也有效地控制了顶板下沉量的继续增加。

应力集中区域为矿柱的底部位置，最大压应力为10Mpa，塑性区域没有出现新的增加，并且矿柱底部已不再产生新的剪切破坏，说明充填后，矿柱已趋于稳定，充填体对矿柱的水平位移起到了很好的限制作用。

第3步骤开采后，竖向位移云图、水平位移云图、塑性区分布、最大主应力云图分别见4～7。

图4 3步骤水平位移云图 图5 3步骤竖向位移云图

从竖向位移云图和水平位移云图可以看出，应力重新分布、达到新的平衡状态后，顶板的最大沉降量为53mm，比第二步计算结果只增加了5mm；矿柱在沿Y方向的位移变化为3.4mm。

从最大主应力应力云图可知，应力集中区域为矿柱第1步开采后的塑性区贯通位置和矿柱的最底部位置，最大压应力为12.2MPa。

从塑性区分布图可知，矿柱靠近底部两侧位置增加了部分塑性区域，但并未贯通，也未出现新的破坏。

图6 3步骤最大主应力云图 图7 3步骤塑性区分布

2 小结

综上可知，第1步骤开采后，矿柱的底部出现了剪切破坏，存在一定安全隐患；第2步和第3步开采，由于充填体的影响，很好的限制了矿柱的水平位移，矿柱未发生更大的变形；顶板沉降量也未发生突变。因此，采用嗣后膏体非胶结充填可有效保证矿柱的稳定。