基于FLAC3D的上向水平分层充填法采场稳定性分析_李强.pdf

基于F L A C 3 D的上向水平分层充填法采场稳定性分析李强1,赵大千1,卢海波2,袁路成2,宋浩2,孟清喜2,李俊2,李佳建3(1.山东黄金矿业股份有限公司矿业管理分公司,山东 济南 2 5 0 0 0 1;2.西和县中宝矿业有限公司,甘肃 西和县 7 4 2 1 0 0;3.北京科技大学,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要:小东沟金矿厚大矿体采用上向水平分层充填采矿法开采,合理的采场结构参数直接关系到采场稳定性和矿体开采效率。设计3种采场结构参数,建立F L A C 3 D数值模型进行计算。模拟结果表明,矿房开采过程中各方案最大主应力、垂直方向位移和塑性区体积均较小,开采矿柱时应力、位移和塑性区体积值均急剧增加。矿房跨度过大易导致矿柱开采过程中采场稳定性降低,增加安全隐患。最优采场结构参数为矿房宽6m,矿柱宽5m。模拟结果为小东沟金矿采场结构参数的确定提供了理论支撑。关键词:上向水平分层充填采矿法;采场结构参数;采场稳定性;数值模拟;F L A C 3 D0 引言矿产资源开采过程中,采场结构参数对于采场稳定性至关重要11 0。李腾等1 1通过数值模拟分析了增大矿房宽度对采场稳定性的影响,研究表明增大矿房宽度会降低采场稳定性。罗瑞等1 2以某急倾斜矿体为背景,通过理论分析结合数值模拟的方法得到了矿房最优结构参数。占飞等1 3针对大冶铁矿开采过程中采场稳定性的问题进行了数值模拟,研究发现围岩应力在采场开采后得到释放,采空区内充填体与间柱共同维持采场稳定性。赵兴东等1 4以青龙沟金矿为研究对象,通过稳定性图法确定了最优结构参数并进行F L A C 3 D模拟,结果表明塑性区主要出现在矿体下盘。陈庆坤1针对佩吉铜金矿深部开采中采场稳定性进行了数值模拟研究,结果表明不同分层最优采场结构参数不同,随着开采层数增加,采场结构参数可适当增加。路停等1 5以云南个旧矿为背景,数值模拟发现采场顶板和底板是主要承压区,易发生冒顶、底鼓等现象,采场稳定性可通过判断采场顶底板破坏情况进行判断。张驰等1 6根据激光扫描获取的采空区完整形态建立数值计算模型,模拟结果表明一部开采形成的应力集中区域随着二步开采扩大。贾住平等1 7以贵州锦丰金矿为研究对象,分析了下向进路开采中的采场稳定性,分析发现充填假顶与围岩交界处变形最严重。李轶1 8基于F L A C 3 D分析了某急倾斜矿体浅孔留矿嗣后充填采矿过程中的采场稳定性,证实充填采空区减小了围岩塑性变形。罗方伟等1 9基于F L A C 3 D分析了落凼矿条带式上向分层充填采矿法开采过程中的采场稳定性,模拟发现矿体开采后采空区顶板位移区域呈拱形分布。孔学伟等2 0发现开采矿房后矿柱垂直应力减小,水平应力增加。本研究针对小东沟金矿在上向水平分层采矿法开采过程中的采场稳定性进行了数值模拟分析。通过最大主应力分析、垂直方向位移分析以及塑性区分析,最终确定了合理的采场结构参数,确保矿体安全、高效开采。1 工程背景西和县中宝矿业有限公司小东沟金矿位于甘肃省西和县,矿体倾角约2 5。厚度大于1 5m的矿体采用上向水平分层充填采矿法开采,厚度小于1 5m的矿体采用上向水平进路充填采矿法开采。本文研究对象为厚度大于1 5m矿体。矿体中段高度为4 0m,每中段设3个分段,各分段由斜坡道连接。在分段开采过程中,每分层高度为3.5m,不接顶充填,控顶高度为1m。开采顺序为“隔一采一”。通过查阅文献并结合现场实际情况,采场结构参数初步拟选3个方案:(1)方案1:矿房宽为5m,矿柱宽为5m;(2)方案2:矿房宽为6m,矿柱宽为5m;(3)方案3:矿房宽为7m,矿柱宽为5m。I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.0052 数值模拟2.1 模型建立基于初步选取的3种采场结构参数,相应建立F L A C 3 D模型,模型厚度为4 0m。方案1上向水平分层充填法采场模型如图1所示。左侧为矿房1,中间为矿柱,右侧为矿房2。图1 上向水平分层充填法采场模型(方案1)2.2 岩石力学参数确定岩石力学参数由室内力学试验以及查阅相关文献获得,见表1。表1 岩石力学参数岩石属性内摩擦角/()内聚力/M P a泊松比容重/(k g/m3)抗拉强度/M P a围岩4 4.0 06.0 70.2 62 6 2 96.5 5矿体4 4.0 06.0 60.2 62 8 1 76.2 8充填体3 7.2 40.7 90.3 62 2 0 04.13 数值模拟结果及分析3.1 初始应力平衡实际工程中地应力为层状分布,经过地应力初始平衡运算,模型地应力分布与实际工程相似,图2显示了方案3(矿房宽为7m,矿柱宽为5m)在初始平衡下的最大主应力分布。图2 初始应力平衡下最大主应力分布(方案3)3.2 最大主应力分析开采过程中,各方案最大主应力分布规律近似相同。为节省篇幅,仅以方案2中不同分层矿房、矿柱开采为例进行分析,如图3至图5所示。由图3至图5可知,矿房1一分层开采后顶、底板位置形成卸压区,随着开采高度的增加,充填体与充填体两侧围岩位置形成卸压区。开采矿房2时,形成的卸压区与矿房1卸压区连通,随着矿房2开采高度的增加,卸压区不断增加,充填体与充填体两侧围岩位置形成卸压区。开采矿柱一分层时,应力重新分布,矿柱一分层底部与四分层顶部为主要卸压区,随着开采高度增加,矿柱开采完毕后,矿柱四分层顶部为主要卸压区。此外,从图3至图5可以发现,应力集中存在于矩形采空区四角位置,这表明该位置最易发生破坏。(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图3 方案2矿房1开采最大主应力云图(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图4 方案2矿房2开采最大主应力云图45采矿技术2 0 2 3,2 3(2)(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图5 方案2矿柱开采最大主应力云图 各方案开采过程中最大主应力变化规律大致相同。在开采矿柱一分层时,最大主应力急剧增加,方案1、方 案2、方 案3最 大 主 应 力 分 别 增 加 了2 2.4 3%、2 0.0 0%、1 4.1 1%。随着矿柱继续开采,最大主应力小幅增加,其中方案1和方案2矿柱开采过程中最大主应力基本相同。3.3 垂直方向位移分析开采过程中,各方案垂直方向位移变化规律近似相同。为节省篇幅,以方案1中不同分层矿房、矿柱开采为例进行分析,如图6至图8所示。由图6至图8可知,矿房1一分层开采顶板位置出现拱形下沉区域,底板位置出现拱形底鼓区域。随着矿房开采和采空区充填,底鼓区域位置不变,为最底层采场底板。顶板下沉区域总是为当前矿房采场顶板。随着矿房2开采,矿房2采空区底鼓区域与矿房1底鼓区域相连通,形成更大的底鼓区。矿房2顶板下沉区与矿房1顶板下沉区连通,形成更大的下沉区。同时,受矿房2开采影响,矿柱部分区域产生位移。开采矿柱时,下沉区域和底鼓区域均集中于矿柱顶底板,直至完成矿柱开采。矿房开采过程中,随着分层高度增加,各方案中的顶板位移量增加。但采场顶板下沉量较小,所有方案顶板下沉均小于1 c m。开采矿房2过程中顶板位移大于矿房1顶板位移。矿柱开采过程中,顶板位移急剧增加,开采一分层矿柱时顶板位移最大。与矿房开采过程中顶板位移变化相反,随矿柱开采高度增加,顶板位移逐渐减小。(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图6 方案1矿房1开采垂直方向位移云图(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图7 方案1矿房2开采垂直方向位移云图(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图8 方案1矿柱开采垂直方向位移云图3.4 塑性区分析观察模拟结果发现,塑性变形主要出现于矿柱开采过程中,图9至图1 1显示了不同方案下矿柱开采过程的塑性区变化。数值模拟发现,塑性变形主55李强,等:基于F L A C 3 D的上向水平分层充填法采场稳定性分析要由充填体产生。矿房采空区内最顶层充填体塑性变形最多,几乎完全发生塑性变形。矿房采空区充填体与矿柱采空区充填体交界处次之,发生部分塑性变形。矿房采空区充填体与两侧围岩相接处仅发生少量塑性变形,塑性区在充填体四角位置较明显。在塑性区部分,大部分塑性变形为剪切破坏,张拉破坏区域较少。张拉破坏多存在于矿房矿柱相接处。对比各方案模拟结果发现,矿房跨度越小,张拉破坏区域越小,方案1中仅充填体与矿柱交界处发生了部分张拉破坏,大部分为剪切破坏。在矿房开采过程中,各方案塑性区体积较小,且相差并不明显。塑性区体积差异主要体现在矿柱开采过程中,矿房跨度越大,矿柱开采过程中矿房采空区内充填体越易发生塑性变形。(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图9 方案1矿柱开采塑性区变化(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图1 0 方案2矿柱开采塑性区变化(a)一分层(b)二分层(c)三分层(d)四分层图1 1 方案3矿柱开采塑性区变化3.5 各方案模拟结果对比及采场结构参数确定表2显示了各方案中最大主应力、垂直方向最大位移和塑性区体积的最大值。一些研究文献表明,在采场结构参数选取过程中,顶板位移不超过1c m时,结构参数安全性较高。观察表2发现,方案3顶板位移为1 0.3 6mm,大于1c m。同时,最大主应力和塑性区体积最大值均大于另两种方案。这表明在矿房跨度较大时易导致矿柱开采过程安全性降低。由此可得出,矿房宽度为5m时,安全性最高,即采场稳定性最好;矿房宽度为6m时,采场稳表2 各方案模拟结果最大值对比方案最大主应力/M P a垂直方向最大位移/mm塑性区体积/mm3方案12.6 93.9 92 7 9 4.0 5方案22.7 98.53 7 6 1.5 2方案32.9 11 0.3 64 5 6 9.5 1定性次之;矿房宽度为7m时,安全性最低,即采场稳定性最差。综合上述研究结论并结合矿山实际情况,方案2为最优方案,即矿房宽度为6m、矿柱宽度为5m。4 结论(1)由数值模拟结果可以看出,在开采矿柱一分层时,最大主应力急剧增大,方案1、方案2、方案3最 大 主 应 力 分 别 增 加 了2 2.4 3%、2 0.0 0%、1 4.1 1%。随着矿柱继续开采,最大主应力小幅增加。(2)矿房开采过程中随着分层高度增加,顶板位移量增加。矿柱开采过程中,顶板位移急剧增加,开采一分层矿柱时顶板位移最大,随矿柱开采高度增加,顶板位移减小。(3)塑性区体积差异主要体现在矿柱开采过程中,矿房跨度越大,矿柱开采过程中矿房采空区内充65采矿技术2 0 2 3,2 3(2)填体越易发生塑性变形。(4)矿房宽为6m、矿柱宽为5m时采场结构参数最优,该条件下采场安全性最高,采场稳定性最优。矿房宽为5m、矿柱宽为5m可以作为备选方案。参考文献:1 陈庆坤.佩吉铜金矿采场结构参数优化及稳定性分析J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 3):1-5+1 1.2廖九波,王筱添.基于响应曲面法的采场结构参数优化J.矿业研究与开发,2 0 2 2,4 2(0 4):5-9.3李怀宾,代碧波,赵一凡,等.红透山铜矿深部大跨度采场顶板稳定性分析J/O L.安全与环境学报,2 0 2 2(0 6):1-7.4王孟来,李小双,王运敏,等.露天转地下房柱法开采扰动下采场稳定性研究J.矿冶工程,2 0 2 2,4 2(0 2):3 2-3 7.5谢饶青,陈建宏,肖文丰.基于N P C A-G A-B P神经网络的采场稳定性预测方法J/O L.黄金科学技术2 0 2 2(0 6):1-1 5.6阮喜清,邱贤阳,张宗国.基于M a t h e w s的超宽采场稳定性评价与结构参数优化J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 1):4 7-4 9+5 3.7张云韦,尹裕,潘健.某银铅矿采场稳定性数值模拟分析J.现代矿业,2 0 2 1,3 7(1 0