基于离散元的中厚急倾斜矿体开采对山体稳定性的影响

杨八九，程 涌，王建贵，王永高

(1.云南亚融矿业科技有限公司，昆明 650093；2.云南锡业股份有限公司，云南 个旧 661000)

强富水金属矿山作为开采技术条件较为复杂的一类矿山，一旦开采不当，扰动水体周边的岩层，将会导致大量的水涌入采场，对矿山企业的生产安全造成极大影响[1-2]。本文以笔架山铁矿急倾斜中厚矿体开采对山体及金沙江的稳定性为研究对象，在现场调查、矿岩体物理力学实验及质量分级的基础上，采用2D-Block离散单元法，在完全空场的情况下，对具有代表性的3#和8#剖面开采对上部山体及金沙江的稳定性进行了研究。研究结果为矿山开采对山体及金沙江的影响程度提供支撑，同时为类似赋存条件下矿山的回采提供参考。

1 工程概况

笔架山铁矿是禄劝云川矿产开发有限公司下属矿山，位于金沙江畔。1992年开始采矿，主要对1#、2#、3#、8#主矿体从上至下进行开采，上部采用露天开采，深部采用地下开采。1#、2#、3#、8#矿体金沙江江面(950 m)已采完，计划开采金沙江江面以下矿体，其中3#剖面矿体最低赋存标高为760 m，8#剖面为650 m，分别位于金沙江江面之下190和300 m。

背斜北翼的2#、3#、8#矿体走向N52°～79°E，倾向SE，倾角80°。南翼的1#矿体，走向N70°W，倾向NE，倾角79°。采用分段凿岩阶段垂直走向出矿空场法开采。采场沿矿体走向布置，长度为42 m，宽度为矿体水平厚度，阶段高度50 m。采场之间由顶底柱相隔，底柱高6 m，顶柱高4 m，相邻采场之间有连续间柱，水平厚度为6 m，采矿作业在由顶底柱、间柱组成的矿房内进行。不同开采过程对山体及金沙江的扰动影响是本文研究的重点。

2 宏观岩体力学参数

在现场岩体结构面调查、室内岩石力学试验的基础上，采用普氏、RMR、Q系统三种岩体质量分级方法，对笔架山铁矿各矿岩体质量进行了分级，认为笔架山铁矿矿岩体均属于坚固—最坚固岩体。

模拟所采用的矿岩宏观岩体力学参数，是通过室内物理力学实验，结合Hoek-Brown强度准则折减而确定[3]，模拟分析采用矿岩体宏观力学参数，见表1。

表1 矿岩宏观岩体力学参数

3 急倾斜中厚矿体开采离散元模拟分析

3.1 计算模型的建立

根据笔架山铁矿矿体、山体的实际形态和金沙江的位置，模拟矿体回采至650 m水平的情况下，使上部围岩依照自身的规律冒落，研究上部山体及金沙江位置围岩的稳定性。本次选择矿体较多且与金沙江位置较近的3#和8#剖面进行模拟，单元均匀划分为3 m×3 m的块体。其中3#剖面计算模型单元划分为37 514个，8#剖面为41 702个。计算模型见图1、图2。

图1 3#剖面模型单元划分块体位置示意图Fig.1 Block location of model unit division of section 3

图2 8#剖面模型单元划分块体位置示意图Fig.2 Block location of model unit division of section 8

3.2 开采模拟采用弹塑性模型

3.2.1 地下开采卸荷模拟方法

矿体开采卸荷相当于在初始应力的作用下在岩体中施加了一个反向拉应力[4-5]，所以在数值模拟分析过程中，将卸荷以前岩体的应力状态作为初始应力，那么卸荷应力将是作用在同一岩体上的拉应力，最大拉应力大小为σ0+Rt，为等效抗拉强度。也就是说卸荷问题由卸荷前的应力、应变场和卸荷应力、应变场叠加。卸荷应力分解如图3所示。

图3 卸荷应力分解图Fig.3 Breakdown of unloading stress

3.2.2 地下开采卸荷模拟采用弹塑性模型

模拟分析选用的屈服准则为Drucker-Prager强度准则[6]，是在Mohr-Coulomb准则和Mises屈服准则的基础上演变而来，能较好地模拟分析岩体的破坏特性。该屈服准则的表达式如下：

其中，

式中：c—黏聚力，MPa；φ—内摩擦角，(°)。

3.3 计算方案

在模型原始初始应力平衡完成后，第二步将矿体开挖至与现场相符的950 m水平；第三步开挖950 m水平以下矿体。模拟不同开挖过程对山体及金沙江的影响。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 矿体回采至950中段时山体及金沙江稳定性分析

计算模拟第一步，把外部荷载及边界约束施加到所研究的区域中，形成初始应力场。计算模拟第二步，将矿体开挖至950 m，从模拟结果位移、速度分布图(图4～7)看出，矿体开采至950中段后，矿体之间已出现开裂和离层，但没有出现大规模冒落和滑移。采后位移、速度方向都指向采空区，符合岩石力学的规律。模拟结果与现场实际情况也比较吻合。

图4 3#剖面矿体开采至950中段时山体及金沙江位置模拟结果位移分布图Fig.4 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 3 ore body is mined to the middle 950

图5 8#剖面矿体开采至950中段时山体及金沙江位置模拟结果位移分布图Fig.5 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 8 ore body is mined to the middle 950

图6 3#剖面矿体开采至950中段时山体及金沙江位置模拟结果速度分布图Fig.6 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 3 ore body is mined to the middle 950

图7 8#剖面矿体开采至950中段时山体及金沙江位置模拟结果速度分布图Fig.7 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River position when the section 8 ore body is mined to the middle 950

3.4.2 矿体回采结束后山体及金沙江稳定性分析

模拟第三步是950 m以下矿体全部开采，从模拟结果位移、速度分布图(图8～11)可以看出，开挖体周边围岩(夹层、顶柱等)都发生了大面积冒落和滑移，由于8#剖面矿体开挖深度大于3#剖面，矿体开挖后发生冒落和滑移量都大于3#剖面；从图12和图13通过放大后画出的岩石移动范围可以看出，3#剖面开采至最低标高760 m时块体开裂的范围距离金沙江约为37.51 m，移动角约为65°，从37.51 m到金沙江面没有出现开裂现象，说明在模拟围岩发生大范围冒落时对金沙江的影响也较小。而8#剖面由于矿体延伸至650中段，矿体开采后冒落范围也较大，块体开裂范围也延伸到了江边，移动角约为52°，说明8#剖面在模拟围岩发生大范围冒落时会对金沙江产生一定的影响。

图8 3#剖面所有矿体开采结束山体及金沙江位置模拟结果位移分布图Fig.8 Displacement distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 3

图9 8#剖面所有矿体开采结束山体及金沙江位置模拟结果位移分布图Fig.9 Displacement distribution map of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 8

图10 3#剖面所有矿体开采结束山体及金沙江位置模拟结果速度分布图Fig.10 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 3

图11 8#剖面所有矿体开采结束山体及金沙江位置模拟结果速度分布图Fig.11 Velocity distribution of simulation results of mountain and Jinshajiang River at the end of mining of all ore bodies in section 8

图12 3#剖面所有矿体开采结束通过放大图画出的移动范围Fig.12 The movement range of all ore bodies in section 3 after mining by enlarging the picture

图13 8#剖面所有矿体开采结束通过放大图画出的移动范围Fig.13 The moving range of all ore bodies in section 8 after mining by enlarging the picture

4 结论

1)采用离散元法模拟矿体不同开采阶段，对围岩移动破坏规律及其力学行为进行科学分析，研究结论符合岩体力学的基本规律。该研究方法形象直观，能模拟不同开挖深度情况下上部围岩及金沙江的稳定性及其破坏过程。

2)在完全空场条件下，矿体开采至950 m时上部围岩出现开裂和离层，但没有出现大规模冒落和滑移。模拟结果与现场实际情况较吻合。

3)3#剖面开采至最低标高760 m时块体开裂的范围距离金沙江约为37.51 m，移动角约为65°，从37.51 m到金沙江面没有出现开裂现象，说明3#剖面在模拟围岩发生大范围冒落时对金沙江的影响较小；8#剖面由于矿体延伸至650中段，矿体开采后冒落范围也较大，块体开裂范围也延伸到了江边，移动角约为52°，说明8#剖面在模拟围岩发生大范围冒落时，

会对金沙江产生一定的影响。综合考虑，矿体开采至760 m时对金沙江的扰动较小，不影响矿体开采。