金山矿业矿区井下充填系统稳定性分析*

赵兴东，魏慧，赵一凡，王敏杰

(1.东北大学 采矿地压与控制研究中心，辽宁 沈阳 110000；2.内蒙古金山矿业有限公司，内蒙古 呼伦贝尔市 021000)

0 引言

因矿体开挖引起上覆岩体塌陷，进而造成地表出现裂缝、沉降，甚至大范围坍塌等问题，一直是矿山生产避不开的难题。控制地表沉降不仅是建立绿色矿山政策的要求，也是保证矿山地表建筑物、构筑物安全稳定的必要手段。一般来说，分析地表位移情况的最有效方法是安装监测设备，对地表进行实时监测，但因为该方法成本高、耗时长，在中小型矿山不能得到广泛应用。在这样的背景下，国内外学者探索出很多新的方法来应对矿山开采引起的地表沉降问题。

目前，分析地表沉降问题最常用3种方法为理论分析法、数值模拟法和物理模型模拟法，其中运用最多的是数值模拟法。该方法通过对矿区的地质和岩体条件等进行调查，建立数值计算模型，运用有限元软件对矿体开挖过程进行分析计算，进而判断地表的安全性范围。本研究选用数值模拟法对金山矿业额仁陶勒盖矿区井下充填系统进行分析，探究矿体开挖对其造成的影响。

1 工程概况

内蒙古金山矿业地处呼伦贝尔草原西部，地处额尔古纳兴凯地槽褶皱带与喜桂图海西地槽褶皱带的接壤部位，区域性构造断裂较发育，构成具有独特性棋盘状构造格局，地形地貌属低山、丘陵类型，地势南高北低，地表相对平缓，海拔标高为600 m～700 m，邻近南部最高的汗乌拉山海拔标高为850 m，相对高差为100 m～150 m。区域内构造以断裂构造为主，总体呈北东-南西走向，延长均在百米以上。南西部多以火山岩为主，北西-南东以断陷盆地为主，形成了北东向展布的满洲里—新巴尔虎右旗火山-侵入-岩浆杂岩带。

经过勘查，矿区内共圈出具有工业利用价值的银矿体共47条，赋存标高为688 m～221 m，其中主矿体一共有3条（21#、32#、75#），整体呈“入”字形分布，矿体围岩为硅质碎裂岩或安山岩。矿山采用充填采矿法对矿体进行回采，回采顺序为自上而下，设计不留顶柱和间柱，回采阶段高度为40 m，即矿体自上而下分为 10个分段。井下充填系统位置坐标为X=39 469 376.85，Y=5 362 619.72，在三维空间上位于32#与75#矿体的正上方，在2条矿体的中间位置，是一个长为24 m，宽为18 m的矩形建筑，其所处位置正好在32#与75#矿体开采产生的移动带范围内。鉴于井下充填系统对矿山生产的重要意义，必须保证矿体开采过程中充填系统的稳定性不受影响。

2 数值模型的建立

2.1 建模步骤

本文建立模型选用 3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模方法。具体建模步骤如下。

（1）在 3Dmine软件中利用等值线附高程命令对地表地形线进行赋值，生成地表轮廓线，将线条输出为DXF格式导入到Rhino中，利用嵌面命令生成地表平面（见图1）。

图1 地表平面

（2）利用 Rhino软件完成矿体建模，通过坐标转换，将矿体模型与地表模型按照实际位置关系进行对齐。创建一个不超过地表模型范围的矩形实体，将地表和矿体完全包含在内，且要满足模拟对模型边界的要求。以地表模型为剖切面，利用剖切命令，将矩形实体分割为地表上部和地表下部两部分，删除地表和上部模型，完成整个模型的建立（见图 2）。

图2 模型剖切示意

（3）计算模型建立完成后，检查需要作为单独分组的模型的封闭情况，不封闭的模型在FLAC3D中不能被识别为独立的组。然后利用Griddle软件中的Gsurf命令进行网格划分，本次选用四面体网格单元，网格大小为5 m×5 m。最后由Gvol命令输出至FLAC3D中，完成全部建模过程。

2.2 计算模型

计算模型包含整个矿区的矿体和地表，矿体作为开挖体模型（见图3），计算时分10个步骤进行开挖，采用自上而下的顺序分层回采。不同的开挖步骤已在图1中用颜色进行区分，同一颜色表示同一个开挖步骤。上层矿体开挖完毕后，对空模型进行充填，再进行下一个步骤的开挖，以此类推，直至整个开挖模型开采完毕。地表依据矿区实际地形图建立，属中低山缓坡状地形地貌，起伏较小。模型三维数值计算网格（见图4）单元总数达93 883个。由于岩体性质不均一，矿体开挖后难免会出现围岩卸压松弛、掉块、变形持续增加等现象，因此在计算分析时必须采用非线性力学分析法，本文采用Mohr-Coulomb屈服准则进行计算模拟。

图3 开挖体模型

图4 数值计算模型

2.3 计算参数

通过对前期地质调查中取得的岩样进行岩石力学试验，计算出金山矿业矿体和围岩的岩石力学参数，对该参数利用Hook-Borwn准则进行折减，得到围岩、矿体的岩体力学参数，充填体参数选用1:8灰砂比的强度参数。模拟计算中的各项力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

2.4 边界条件

模型顶部为矿区地表，不施加约束条件。对模型左右、前后等面施加法向固定约束，底部施加全约束。模拟全过程依靠自重进行计算，取重力加速度为 9.8 m/S2，本次模拟忽略构造应力影响。

3 井下充填系统稳定性分析

完成初始应力平衡计算和位移清零后，开始对矿体进行开挖计算，开挖过程一共分为10个步骤，对应矿体的 10个阶段。计算过程中，在距充填系统4个角落1 m处的位置设立4个监测点，监测和记录每一步矿体开挖和充填时充填系统附近发生的水平及垂直位移移动情况，矿体全部开挖后的竖直方向位移云图如图5所示，通过对4个监测点的数据进行分析整理，得到监测点在不同开挖步骤下的位移曲线（见图6）。

图5 计算结果及监测点布置

通过图6（a）可知，布置的4个监测点最大垂直位移为0.43 m，第1步开挖时，监测点均未出现明显变化，自第2步开挖起，监测点位移曲线斜率明显增大，在第7步时达到最大值，而后变缓；从图6（b）可知，监测点最大水平位移为0.27 m，水平位移变化趋势较稳定，自第1步开挖起，几乎以相同的变化趋势逐渐增大，在第6步开挖时，1#、2#监测点位移有瞬间的起伏，之后以位移变形值大于3#、4#监测点的趋势稳定增加。根据《有色金属采矿设计规范》I级保护物、《煤矿测量规程》规定：一般砖石结构建筑物规定倾斜值i=3 mm/m、曲率k=0.2、水平变形值ε=2 mm/m的临界变形极限值。通过计算得金山矿业额仁陶勒盖矿区井下充填系统地表最大变形值为倾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平变形值ε=1.3 mm/m，均未超出安全规程规定的极限变形值，充填系统处于稳定范围内。

图6 监测点位移曲线

4 结论

（1）运用3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模方法，可以完美弥补FLAC3D软件建模功能不够强大的弊端，成功实现利用FLAC3D软件对复杂矿体的计算模拟。

（2）通过分析 4个监测点水平及垂直位移情况，计算出井下充填系统所处位置地表最大变形值为倾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平变形值ε=1.3 mm/m，不超过极限变形值，确定矿体开采不会对充填系统造成负面影响。