山谷下采矿安全性数值模拟分析

1、山谷下采矿安全性数值模拟分析任红岗投稿日期：2012-03-311作者简介： 任红岗（1986），男，采矿工程专业，硕士，主要从事采矿工程和岩土工程设计及科研工作。E-mail: renhonggang_0123，敖显军，杨清波（北京矿冶研究总院 北京100070）摘 要：山谷下采矿问题是矿山生产中面临的技术难题之一，如果处理不当将可能引发重大事故发生。本文以国外某金矿为例进行研究分析，基于其工程地质基础构造、水文地质、及采矿方法，提出两种采矿方案，并利用FLAC3D软件建模对两种采矿方案进行比较分析。研究表明：在山谷两侧构造应力下，选择垂直走向布置矿块，采矿活动对地表影响较小，且采空区安全稳

2、定性较好。关键词：山谷；安全；工程地质；数值模拟；FLAC3D Safety Analysis of Mining under Valleys with Numerical Simulation Method REN Hong-gang 1, AO Xian-jun, YANG Qing-bo（Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100070）Abstract: The mining under valleys is one of the technical problem in mine

3、production, which will cause serious accidents if mishandled. This paper takes one foreign gold mine as an example to research and analysis, it proposes two mining scheme based on the engineering geologic basic structure, hydrological and mining method, and by using FLAC3D software to model and comp

4、aratively analysis the two mining scheme. It is shown that the scheme of cross-trending ore blocks layout has a smaller impact on the surface and better stability of gob under the tectonic stress field on both sides of valley.Key word: valleys; safety; engineering geology; numerical simulation; FLAC

5、3D 引言经济的快速增长对资源的需求日趋剧烈，矿产资源利用率与回收率提高势在必行，近年来，“三下”开采技术，即建筑物下、铁路下和水体下开采技术1，在国内诸多矿山取得了较大的应用成果，有效地提高资源利用率。在富水山谷下采矿涉及到水体和山体下开采的双重技术难题。水体下安全开采技术是涉及到采矿、地质、岩石力学等多学科的系统工程2，要防止开采范围内的水体不致大量涌入矿井而发生突水事故。山体下开采要考虑在矿山压力作用下，地下开采所致的矿压显现规律和地表移动规律，从而来调整采矿方法和相应的采场结构参数，确保安全生产。 目前，研究“三下”开采技术主要从控制采空区岩层变形和移动规律理论等着手，主要理论有拱形理

6、论、棱柱形理论、覆盖总重理论、悬臂梁理论、崩落块体理论等。采空区稳定性分析研究方法应用较多的有经典唯象学方法、力学方法和数值分析方法3。基于这些理论和方法，采取调整采矿方法及工艺、处理采空区、进行大量现场检测等相应措施，来控制围岩变形及移动。本文综合考虑矿山地形地貌、工程地质、水文地质、围岩力学性质等，在此基础上调整采矿工艺参数及采空区处理方式，从数值模拟角度定量分析围岩变形和移动情况，分析在山谷下开采的安全性。1 工程概况某国外金矿矿区地处高原，区内河谷深切，地形起伏较大，断裂构造发育，地表移动区的范围受多种因素影响，受季节及降雨量的影响，河沟西北方向直接穿过矿区。矿区的海拔高度超过2180

7、m，从沟底到分水岭，海高度上升到3000m以上，其三维示意图见图1。矿床位于河沟的两侧，其中1#和2#主矿体位于河沟南侧并露于地表，矿体赋存标高为17502461m，走向近东西，延伸约820m，倾向延深约710m，形态复杂多变，主要为脉状；矿体倾角70°90°，属急倾斜矿体，主矿体厚度约4060m。根据矿区水文地质、工程地质、环境、安全及技术经济等因素，采用地下开采和斜坡道开拓方案，采矿方法根据矿体的具体条件分别选用沿走向布置上向水平分层充填采矿法、垂直走向布置上向水平分层充填采矿法。开采2230m2290m中段时，部分矿体离河床底板距离较近，应选择合理方案或采区相应安全措

8、施，避免因采矿活动导致围岩在地表河沟内错动而导致河沟内水源渗入或涌入地下采矿工作区域，造成涌水事故、采空区冒顶事故等。因此，需要对采矿顺序、采矿方法结构参数调整，对工程地质、水文地质进行分析，以及对地下开采对地表河沟的影响研究，以保证矿山建设及生产安全。图1 某国外金矿地表-地下三维示意图Fig.1 A foreign goldmines 3D schematic drawing of the surface and underground2 工程分析2.1 工程地质分析矿区属于矿山褶皱带，属于中等复杂程度矿山，主要褶皱延伸12 km并通过矿区，背斜两翼宽1.5-2.0 km。区域内控制性断层

9、延伸16 km，东西走向，向北倾斜，倾角50-80°。断层两盘的位移800-1000 m，形成宽50-200 m的剪切带。经调查，从河床到开采区域水平，无构造明显的断层。矿体围岩大部分绿泥石绢云母石英片岩，岩石质量指标RQD值平均37 %，由于矿区内背斜和断层构造叠加，岩脉和节理裂隙发育，岩石一般比较破碎，强度较低。河边及河谷中，多为未成岩的第四纪沉积物，并含有大的碎石。在河的两岸多处出现滑坡。矿体是围岩经过热液-交代蚀变后形成的，与围岩呈过渡关系，无明显界限。围岩大部分为碳酸质片岩。2.2水文地质分析矿区河流上游属于亚热带区气候，大部分降水是在一年中冷季，气候湿度不足。根据河流由东

10、向西穿越矿区边界的两点河水渗漏量对比观测，其水量正负变化不大，和探井、钻孔水位与河水位无明显相关，水文地质现象均表明矿区的地表水和地下水之间没有直接联系。矿区地表水平均流量4.7 m3/s，河水流量0.155.03 m3/s。矿区地形、气候、构造条件有利用地下水排放，地下水主要分为绿片岩裂隙含水和冲积冰封层含水，地下水位为地表以下830 m。2.3 采矿方法参数选择在2230-2290 m中段水平间，矿体平均厚度为50 m，根据本次开采区域地质条件，选用上向水平分层充填采矿法，采用两种采场结构参数进行比较分析。采场长度50-100 m，中段高度60 m，分段高度10-15 m，具体结构参数见表

11、1。表1 采场结构参数Table 1 Parameters of stope structure项目方案1方案2采场宽度 /m2550采场长度 /m矿体厚度25中段高度 /m6060备注垂直走向布置沿走向布置3 数值模拟计算分析3.1数值建模技术（1）计算模型模型选择标高范围为21702450 m，研究区域为22302290 m中段采场，试验采场位于该区域的中部。计算区域尺寸为长 675 m，宽250 m，高 280 m，该模型共有35000 个单元和41279个节点，山谷下矿体的FLAC3D网格模型如下图所示。 图2 地表-地下数值模型 图3 矿体数值模型Fig .2 Numerical m

12、odel of surface and underground Fig.3 Numerical model of orebody（2）初始应力及边界条件该矿初始地应力场主要为自重应力，并且考虑矿体上方山谷挤压产生的水平力。依据弹性力学原理，垂直应力和水平应力计算公式见式1。 （1） 式中：H埋置深度，m；k侧压力系数，k=/（1-）；泊松比；垂直主应力，MPa；为外界施加的垂直初始应力，MPa；为水平主应力，MPa；Z垂直深度，m。矿区各处的应力随深度变化而不同，利用线性回归分析的方法，计算出施加在研究区域处的垂直主应力、水平主应力回归方程见式2，采用应力梯度在模型指定范围内施加线性变化的应力

13、。 （2）采用应力边界条件，在模型的左右（X方向）边界、前后（Y方向）边界和底部（Z方向）边界均施加应力约束条件，设定上边界为自由边界4。（3）矿岩物理力学参数考虑岩体的结构效应或尺寸效应的影响，对岩块的力学参数进行适当修正5。根据经验，室内试验条件下得出的矿岩力学参数要进行适当的折减。利用经验公式和力学参数转换公式，数值模拟最终采用的岩体力学参数如表2所示。表2 折减后矿石物理力学性质参数表Table2 Parameters of physical and mechanical properties of rock after being deducted岩石名称天然密度(kg/m3)抗压强

14、度（MPa）体积模量（GPa）泊松比抗拉强度（MPa）粘聚力（MPa）剪切模量（GPa）内摩擦角（°）矿石259528.053.550.235.071.12.6520围岩261037.405.050.2256.761.3753.5223.5（4）本构模型在模拟开采之前，施加初始应力，本构模型分别采用了各向同性弹性模型，初始应力平衡后，将各点位移归零。模拟开采时，本构模型采用Mohr-Coulomb塑性模型，其准则表达式见式（3）。 （3）式中 为剪切应力，、分别为最大和最小主应力；为内摩擦角，为粘力。3.2 模拟结果分析（1）地表移动区域分析矿体回采完之后，采空区围岩发生变形移动（如

15、图4），方案1与方案2采空区围岩最大位移发生在山峰一侧，这是由于山峰作用于采空区的竖直应力和水平应力大于河沟一侧。两种方案下，采空区围岩移动并未波及地表，河沟内岩体可保持安全稳定状态，在没有导水裂隙及通道下，河沟内水源不会因采空区围岩移动而渗入或涌入地下采矿工作区域。（a）（b）图4 垂直山谷方向围岩位移分布（单位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig .4 Displacement distribution of surrounding rock in the valleys vertical direction （unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme 2（2）采空区

16、稳定性分析1）从图5中弹塑性区域分布可以看出，两种方案采空区均出现塑性区域，但塑性区域未贯通，表明采空区内会产生片帮，但围岩都基本保持稳定状态。对于塑性区域分布情况，方案1与方案2相比，出现的塑性区域总体较小，稳定性相对较好。（b）（a）图5 采空区塑性状态分布（单位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig .5 Plastic state distribution of gab（unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme22）从图4、图5位移分布的情况分析，在垂直山谷方向上，两种方案都具有一个共同的特点，即采空区最大位移发生在靠近山峰一侧和顶板处，最大位移分别为9.623 m

17、m、10.493 mm。在沿山谷方向上，采空区最大围岩主要位于顶板处，且最大位移分别为6.570 mm、8.526 mm。两种情形下，方案1的采空区位移皆较小于方案2，从而认为方案1的采空区较稳定。（b）（a） 图6 沿山谷方向采空区围岩位移分布（单位：m） （a）方案1；（b）方案2Fig.6 Displacement distribution of gob along the valleys direction （unit：m）：（a）Scheme 1；（b）Scheme24 结论（1）矿体回采之后，不会造成因采矿活动导致地表围岩错动，河沟内水源在不会渗入或涌入地下采矿工作区域，能够保持安全稳定开采。（2）通过对不同采场结构参数下采空区稳定性数值模拟分析，将两种方案作以比较，选取有利于采空区稳定性的最优方案。在开采离河床底板距离较近22302290 m中段时，矿块垂直走向布置（方案1 ）较为合理。（3）本文研究基于现有地质资料，实际工作中，由于存在多方不可预测性等影响因素，需要加强地表位移监测监控，进一步分析的基础资料，以确保矿山生产的安全。参考文献1 姚