某石灰岩矿采场结构参数数值模拟研究*

陈 敏，史秀志

(1.广东省冶金建筑设计研究院， 广东 广州 510080；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

某石灰岩矿采场结构参数数值模拟研究*

陈 敏1，史秀志2

(1.广东省冶金建筑设计研究院， 广东 广州 510080；2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

为提高石灰岩地下矿山采矿效率和资源回收率，在某石灰岩矿开展了中深孔房柱法试验研究。采用三维数值计算软件ANSYS和FLAC3D进行了中深孔房柱法采场结构参数优化和稳定性数值模拟计算，通过计算确定的最优方案的采场结构参数为：矿房宽度15 m，间柱宽度13 m，底柱厚度15 m。数值模拟计算结果与理论基本一致，表明数值模拟方案的设计、模型的建立和参数的选择具有一定的合理性。

石灰岩矿；采场结构参数；稳定性；数值模拟

目前，石灰岩地下矿山主要采用留点柱或连续矿柱的浅孔房柱法开采。该类矿山普遍存在采场结构参数不合理，采场生产能力小，通风安全条件差，资源回收率低等问题。本项目以广东省某石灰岩地下矿山为试点矿山，开展中深孔房柱法安全高效回采技术研究。中深孔房柱法采场结构参数一般参考类似矿山选取，因此矿柱及顶板的稳定性是一个重要研究课题。本文采用三维数值计算软件ANSYS和FLAC3D进行了中深孔房柱法采场结构参数优化和稳定性数值模拟计算，研究成果对石灰岩地下矿山开采具有一定的指导意义。

1 工程概况

该矿区石灰岩属下二叠统栖霞组灰岩，主要岩性为灰黑色中厚层状灰岩、生物碎屑灰岩及白色大理岩。矿石结构致密，矿层厚度较大，连续完整，节理裂隙不发育。矿石单轴抗压强度62.2～63.6 MPa，平均62.9 MPa。矿石岩质完整新鲜，为坚硬岩石，工程性能良好。

矿山采用斜坡道开拓，汽车运输。中深孔房柱法试验采场矿房长60 m，宽15 m，高18 m。矿房分二层回采，上分层高8 m，下分层高10 m。首先在矿房顶部掘进一条切顶巷道，凿岩设备采用Boomer281掘进台车，巷道断面5 m×6 m，作为人行、通风、出渣的运输巷道。其次，以切顶巷道作为爆破自由面，逐步扩帮形成宽12～15 m、高6～8 m的切顶空间，并根据顶板岩石的稳固程度进行喷砼或喷锚支护。再次，采用Tamrock Ranger 600潜孔钻机在切顶空间下钻凿8～10 m深的下向平行中深孔，选用2#岩石炸药，人工连续柱状装药，以切割槽为补偿空间分段微差爆破。最后，崩下的矿石用PC-200挖掘机或ZL50C装载机装矿，10 t载重自卸式汽车经斜坡道运出地表。中深孔房柱法采矿方法见图1。

2 数值模型建立

本次数值计算采用ANSYS软件进行建模和网格划分，采用FLAC3D软件进行后处理计算。

2.1 基本假设及破坏准则

为方便建模和数值模拟计算，本次研究做如下假设：

(1) 假设矿体和围岩为各向同性的连续介质，不考虑裂隙、节理和断层的影响；

(2) 忽略井巷工程对采场稳定性的影响；

(3) 只考虑重力对模型的影响，不考虑爆破震动、地震波及地下水的影响 。

矿体主要为大理岩、灰岩等岩性岩石组成，适用莫尔-库伦破坏准则。

2.2 计算方案及数值模型

采场结构参数的主要影响因素如采场跨度、间柱宽度、隔离矿柱厚度都有较大取值范围，为使其有充分的代表性，采场跨度取12～18 m，间柱宽度取11～15 m，顶柱厚度取13～17 m，矿房高度为18 m，计算方案见表1。

图1 中深孔房柱法采矿方法

表1 计算方案表

根据矿体的赋存条件、试验采场的位置以及开挖的影响范围，建立了三维计算模型。计算域沿走向长400 m(Z方向)，垂直走向长400 m(X方向)，铅垂高度250 m(Y方向)。模型建立地表曲面，表土层取10 m。模型简化处理，12个矿房的上分段为1～6号矿房，下分段为7～12号矿房。沿走向布置采场模型见图2。

图2 沿走向布置采场模型

2.3 岩体物理力学参数及边界条件

根据室内实验测定的岩石力学参数，采用工程化处理后的岩体强度参数作为数值模拟中所用的岩体强度。数值计算模型岩体物理力学参数见表2。

表2 数值计算模型岩体物理力学参数表

由于该矿未能进行原岩应力的实测，故仅考虑重力场。模型下表面限制垂直方向位移，四个侧面法向约束，上表面自由。

3 数值计算结果及分析

3.1 数值计算结果

通过数值模拟计算，方案1～3拉应力最大值、主应力最大值、剪应力最大值及顶底板位移计算结果见表3。

表3 方案1～3各采场应力及位移值

注：(1)上表中压应力为“-” ，拉应力为“+” ;(2)上表中位移“-”表示沿Z轴负方向，反之为正。

3.2 应力对比分析

从拉应力最大值等值云图可知，3个方案的拉应力最大值均小于岩体极限抗拉强度。通过比较开挖下分段拉应力值可以看出，方案1的拉应力最大值明显小于其他2个方案，但方案1矿房跨度较小，增大了采切工程量，降低了资源回收率。由此可见，方案2、方案3为可选方案。

从主应力最大值应力等值云图可知，3个方案的主应力最大值均小于岩体极限抗压强度。通过比较各方案拉应力最大值可以看出，方案2主应力最大值相比方案1、方案3小，采场安全性更好。从主应力角度考虑，方案2为较优方案。

从剪应力最大值等值云图可知，各方案最大剪应力值均远小于岩体的抗剪强度。开挖上分段时，方案2的剪应力值最小，开挖下分段后，方案1的剪应力值较小。从剪应力角度考虑，方案1、方案2为可选方案。

3.3 位移对比分析

从各方案位移等值云图可知，随着采场跨度尺寸的增大，顶板下沉位移值呈递增趋势，底板上升位移值也呈递增趋势。当采场跨度一定时，顶、底板位移值随着矿柱尺寸的增加而呈线减小的趋势，但不是很明显，最大位移为5.527 mm，总体来看这些变形都在允许范围之内。因此，从顶底板最大竖直位移对采场安全性影响而言，各方案的优劣顺序为：方案1、方案2、方案3。由于方案1采切比较大、资源回收率低，而方案3因采场跨度大，顶底板位移也大，安全性相应降低，综合比较方案2为可选方案。

3.4 塑性区对比分析

根据岩石力学理论，当岩体进入塑性状态后，岩体的强度大大降低，承载能力也随着强度的降低而降低，塑性区体积的大小也是判断其稳定性的重要指标。

从模拟结果可以看出，方案1、方案3出现了面积极小的塑性区，但对采场安全造成的影响不大，各采场安全性良好。从保证矿柱的稳定性，尽量避免出现塑性区角度考虑，方案2为可选方案。

综合分析应力、位移、塑性区、采切比及回采率等因素，方案2为最优方案。

4 结 论

(1) 本次数值模拟计算结果与已有研究理论基本一致，表明数值模拟设计的方案、建立的模型和选取的参数是合理的，计算结果科学合理、真实可信，对矿山生产具有一定的指导意义。

(2) 通过数值模拟计算，试验采场的安全性都良好，在考虑应力、位移、塑性区、回采率及采切工程量等因素的条件下，确定最优方案的采场结构参数为：矿房宽度15 m，间柱宽度13 m，底柱厚度15 m。

(3) 由于数值模拟计算的局限性而进行了必要的假设，虽然数值模拟结果从理论上讲是安全的，但在实际生产中，仍需采取必要的安全管理措施，才能保障回采工作安全高效的进行。

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广东省安全生产专项资金项目(2009D140).

2014-08-26)

陈 敏(1965-)，男，采矿高级工程师，主要从事矿山设计与研究工作,Email：htp3639@126.com。