基于3D-σ软件的大红山铁矿Ⅲ#、Ⅳ#矿体稳定性研究

邢志华 沙 斌 尚晓光 侯克鹏 王悦青

(1.玉溪大红山矿业有限公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院)

随着开采深度的增加，深部矿产资源开发所面临的由岩体开挖诱发的重大地质灾害问题越发突出[1-2]。自1738年英国的南斯塔福煤矿发生第一次岩爆事故以来，在南非、波兰、加拿大、美国、瑞典及挪威等数十个国家和地区的矿井相继发生了岩爆灾害[3-7]。国内抚顺红透山铜矿、冬瓜山铜矿、凡口铅锌矿以及大同煤矿等二十多座矿井也相继发生过岩爆灾害[8]。可见，地压活动是制约地下工程特别是深部安全开采的重要因素[9]。3D-σ是目前岩土工程界应用较广泛的一款数值模拟软件[10]，具有计算精度高、对结构形状和荷载形式有良好的适应性等优点[11-15]。本研究基于3D-σ软件，对大红山铁矿Ⅲ#、Ⅳ#矿体稳定性进行数值模拟分析，就地压活动区的应力、位移、塑性区等状况进行分析研究，并对主矿体在不同开采阶段对Ⅲ#、Ⅳ#矿体开采的影响程度进行探讨。

1 矿山概况

大红山铁矿矿床规模巨大，可分为浅部铁矿、深部铁矿、曼岗河北岸铁矿、哈姆白祖铁矿和Ⅰ#铁铜矿带5个地段。Ⅲ#、Ⅳ#矿体在深部主采区400万t/a工程的基础上，采用平巷开拓方式，利用南北采区斜坡道连接各回采分段。由上至下设置了480，460，440，420，400，380 m 6个主分段以及430，410，390，370 m 4个副分段。总体开采顺序是北部由下往上、中南部由上往下。采矿方法为空场嗣后充填法，北部采用小分段空场嗣后废石加尾砂充填法进行开采，矿块沿走向布置，矿块长50 m，矿房长42 m，隔离矿柱矿体视厚度取8 m，分段高度10 m。矿房回采完毕后，应及时封闭出矿进路，并将掘进废石用20 t矿用卡车运输至上盘充填顶，经充填小井最大限度地充填采空区，而后进行全尾砂充填采空区。北盘区由370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4，380 m NH1、NH2、NH3盘区组成，现阶段，370 m N2、N3，380 m N2、N3、N4盘区已开采完毕，其中370 m N2、N3，380m N4盘区已采用尾砂充填，380 m N2、N3盘区未充填。

2 模型构建

大红山铁矿矿体分布较广，为满足计算需要和保证计算精度，本研究采用的模型大致与整个矿区的实际形态相同。根据Ⅲ#、Ⅳ#矿体的实际形态以及与主矿体的关系，结合力学相关理论，构建的三维有限元模型规格为3 000 m×1 500 m×1 300 m(长×宽×高)，即沿矿体走向方向取3 000 m (X方向)，垂直于矿体走向方向取1 500 m(Z方向)，铅垂方向取1 300 m(Y方向)。模型共有326 570多个节点，75 940个20节点三维等参元单元(图1)。

图1 模型网格划分

模型计算域边界采取位移约束。由于采动影响范围有限，在距离采场较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处的位移视为0。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用X、Y、Z3个方向约束，XY平面采用Z方向约束，YZ平面采用X方向约束。在岩体破坏分析中，本研究采用摩尔-库仑塑性破坏准则。模型矿岩体力学参数见表1。

表1 模型矿岩体力学参数

由于本研究模拟分析之前，现场主矿体以及Ⅲ#、Ⅳ#矿体北盘区部分地段已开采完毕，并对部分盘区采用了尾砂充填，因此本研究模拟采用与现场施工完全一致的开采方法，即第1步对原始模型进行模拟分析，形成初始应力场；第2步按照矿山现状对主矿体400 m水平以上矿体以及北盘区已采盘区进行回采；第3步对经过废石充填的盘区进行尾砂充填，在此基础上，对北盘区矿体的稳定性进行分析；第4步对主矿体的不同开采阶段对Ⅲ#、Ⅳ#矿体的影响程度进行讨论。

3 数值模拟分析

3.1 原始模型分析

当对模型不进行任何开挖、充填时，矿体中仅有自重应力场作用，最大主应力从模型顶部向下依次增大，最大主应力线呈水平状态，但在矿体所在位置，由于矿岩参数不同，在该处产生了一定程度的应力集中现象，最大主应力为-29.685 MPa(图2)，模型中没有出现拉应力。整个模型位移由上至下依次减小，最大位移从模型上部的582 mm减小为模型底部的61 mm(图3)。整个模型的安全率大于9.956(图4)，模型中无塑性区出现。

图2 原始模型最大主应力等值线

图3 原始模型垂直位移等值线

图4 原始模型安全率等值线

3.2 Ⅲ#、Ⅳ#矿体北盘区稳定性分析

结合矿山北盘区开采的实际情况，由于开采步骤较多，在此仅对北盘区开采、充填后的最终结果进行模拟分析。该步骤与现场一致，对370N2、370N3及380N4盘区进行了充填，如图5所示。

图5 Ⅲ#、Ⅳ#矿体北盘区开采模型

3.2.1 应力分布

分析图6、图7可知：北盘区矿体完全开采后，矿岩体受采动影响，在开挖体周围引起了应力重新分布，盘区开采后顶板及矿柱的最大压应力分别为21.752 MPa和23.552 MPa，小于经工程处理后矿体及变钠质熔岩的抗压强度(41.8 MPa和41.5 MPa)，矿体开采后顶板无拉应力出现，此时采区顶板及矿柱稳定性较好。

图6 北盘区开采后盘区顶板最大主应力分布

图7 北盘区开采后矿柱及充填体最大主应力分布

3.2.2 位移分布

分析图8、图9可知：整个北盘区开采后顶板最大位移主要出现在盘区开采后顶板的中间部位，位移指向采空区，最大位移量为27 mm，矿柱的压缩位移也为27 mm，整体位移相对较小，从位移分布来看，北盘区开采后盘区顶板及矿柱稳定性较好。

图8 北盘区开采后顶板垂直位移分布

图9 北盘区开采后矿柱和充填体垂直位移分布

3.2.3 安全率分布

安全率是指由摩尔-库仑强度准则所决定的极限应力状态与实际应力状态的比值，安全率为1时处于临界状态，且安全率越大，安全性越好(地下矿山安全率大于1.15时认为是偏于安全的)。北盘区开采后顶板及矿柱的安全率最小值分别为1.208、1.195(图10、图11)，整体安全率远大于1。由此可见，北盘区开采后矿柱及顶板整体稳定性较好。

图10 北盘区开采后顶板安全率分布

图11 北盘区开采后矿柱安全率分布

3.2.4 塑性区分布

由顶板及矿柱塑性区分布(图12、图13中深色区域)来看，采区顶板及矿柱存在零星的塑性区，且未出现连片现象，说明顶板及矿柱局部受到破坏，但不影响整体稳定。

图12 北盘区开采后顶板塑性区分布

图13 北盘区开采后矿柱和充填体塑性区分布

通过对应力、位移、安全率和塑性区分布的综合分析，北盘区在现状基础上将剩余盘区开采后，顶板及矿柱整体稳定性较好，没有出现大的地压显现现象，仅在局部存在塑性区，说明顶板及矿柱会出现局部破坏，但不影响整体稳定。

3.3 主矿体的不同开采阶段对Ⅲ#、Ⅳ#矿体的影响

大红山铁矿主矿体位于Ⅲ#、Ⅳ#矿体东部，采用不留矿柱的无底柱分段崩落法进行开采，现阶段已开采至400 m水平，下一步将开采370，340 m中段，考虑到对露天开采的影响，大红山铁矿根据岩石移动角，在主矿体与Ⅲ#、Ⅳ#矿体之间留了约200 m厚的保安矿柱。本研究对主矿体的不同开采阶段对Ⅲ#、Ⅳ#矿体的影响程度进行分析。

3.3.1 主矿体开采至400 m水平

由主矿体开采至400 m水平的数值模拟结果(图14)可知：由于400 m水平主矿体与Ⅲ#、Ⅳ#矿体距离较远，2个区域的主应力、位移等值线均单独存在，没有连在一起；虽然安全率等值线连在一起，但安全率都在4.914以上，说明该阶段主矿体开采与Ⅲ#、Ⅳ#矿体之间几乎不存在相互影响。

图14 主矿体开采至400 m水平时的数值模拟结果

3.3.2 主矿体开采至370 m水平(留保安矿柱)

分析图15可知：主矿体与Ⅲ#、Ⅳ#矿体东盘区的距离约为200 m，距离较远，主应力、位移等值线彼此不相连；安全率等值线虽然连在一起，但安全率都在4.909以上，说明该阶段在留设保安矿柱的前提下，主矿体开采与Ⅲ#、Ⅳ#矿体之间几乎没有影响。

图15 主矿体开采至370 m水平时的数值模拟结果

3.3.3 主矿体开采至340 m水平(留设保安矿柱)

分析图16可知：由于有保安矿柱的存在，主矿体与Ⅲ#、Ⅳ#矿体东盘区的距离没有明显变化，主应力、位移等值线彼此不相连；虽然等值线连在一起，但最小安全率值(0.965)范围较小，仅在主采区周围小范围存在，往Ⅲ#、Ⅳ#矿体方向的安全率由2.896逐渐增大，表明该阶段在留设保安矿柱的前提下，主矿体开采至340 m水平时，对Ⅲ#、Ⅳ#矿体的影响较小。

图16 主矿体开采至370 m水平时的数值模拟结果

4 结 语

采用3D-σ软件对大红山铁矿Ⅲ#、Ⅳ#矿体的开采过程进行了数值模拟分析，认为现阶段Ⅲ#、Ⅳ#矿体北盘区顶板及矿柱整体稳定性较好，没有出现大的地压显现现象，尽管顶板及矿柱会出现局部破坏，但不影响整体稳定，与矿山实际情况较吻合；在380 mN2、N3、N4盘区充填的基础上，开采380 m NH1、NH2、NH3盘区的地压活动强度小于不充填时的地压活动强度；在预留保安矿柱的前提下，主矿体开采至 340 m 水平时不会对Ⅲ#、Ⅳ#矿体采区造成影响；由于矿体埋深较大(距地表约为1 000 m)，采区范围大，且盘区暴露面积较大，建议在开采过程中对盘区顶板及矿柱进行地压监测，进一步分析顶板及矿柱的受力情况，为矿体开采提供可靠依据。