急倾斜厚大矿体采场结构参数数值模拟优化研究

徐州铁矿集团有限公司下属的吴庄铁矿是一个年产50万t铁矿石的地下矿山，矿区内共分布有4个矿体，矿体赋存标高自-264m到-520m,产状和形态变化比较复杂，总体走向为120°～135°左右，倾向北东。本文主要研究-380m中段4^#矿体的采场结构参数，该矿体走向130°，倾角70°～80°，矿体厚度变化较大，平均厚度为76m，属急倾斜厚大矿体。矿体顶板围岩主要为下奥陶统寨山组大理岩，结晶灰岩，局部为白云质大理岩，属稳固和基本稳固类型；矿体底板围岩大多为蚀变闪长斑岩，节理发育，虽坚硬但稳固性不均。矿区地表为农田和建筑物，矿体开采时地表不允许塌陷。

1.1 回采方案简介

该矿体设计采用空场采矿事后充填采矿法。回采方案为：沿矿体走向划分若干盘区，在盘区内布置矿块，矿块走向与矿体走向一致。以矿块作为回采单元进行回采，每一矿块内布置两个采场，即矿房采场和矿柱采场，采场长轴向与矿块走向平行。在盘区内先采相邻的两个矿柱采场，回采结束后采空区用尾砂胶结充填，养护2～3个月后，再回采中间的矿房采场，矿房采场回采后采空区采用全尾砂充填。采场内采用铲运机出矿，矿块内的两个采场共用一条出矿进路，每个采场的堑沟互为另一个采场的出矿进路联络道，即回采矿柱采场时，矿房采场的堑沟作为出矿进路联络巷，当矿柱采场回采结束后，在堑沟内预留适量的矿石，然后尾砂胶结充填采空区，待充填体达到预定强度后，将堑沟内的矿石出尽，对堑沟进行适当的支护，可充当矿房采场的出矿进路联络巷，具体见图1采矿方案图。

图1 采矿方案图

1—矿房采场进路联络巷（矿柱采场堑沟） 2—矿柱采场进路联络巷（矿房采场堑沟） 3—出矿进路 4—切割天井 5—切割横巷 6—分段凿岩巷 7—胶结充填体

为了确定合理的采场跨度和顶板厚度，根据吴庄铁矿的实际生产情况和专家经验，选取表1中的4种采场结构参数方案进行计算分析。

表1  4种方案采场结构参数

结合该矿已有的开拓工程，采场高度与中段高度一致，即为50m，每个中段划分4个分段，采场长50m，盘区间留10m的间柱。但是采用何种矿房采场跨度、矿柱采场跨度以及顶板厚度，既能提高该矿体的生产能力和技术经济指标，又能降低采矿的安全风险是矿山亟待解决的问题。

本文采用flac^3d三维有限差分分析软件，对不同方案的采场结构参数进行模拟计算分析，为设计提供合理的参考依据。

2 结构参数数值模拟及计算结果分析

2.1 物理力学参数

数值模拟分析问题能否获得符合实际的结果,首先取决于矿岩物理力学参数的合理性和可靠程度,而力学参数的选择问题一直是岩土工程界关注研究的重点^[1]。本次研究在对矿岩物理力学参数分析的同时，考虑矿岩体所处的地质环境等因素的影响，对试验得到的矿岩物理力学参数进行合理的处理，见表2所示。

表2  矿岩物理力学参数

2.2模拟矿岩强度判定准则

目前在进行采场围岩稳定性分析时，对于那些边界条件较为简单且介质特性不复杂的情况，采用解析法求解，而对于大多数较为复杂的工程问题只能用数值方法求解^[2-4]。但这两种方法只是作为评价采场稳定性的手段，要想判断采场是否稳定，必须建立围岩破坏的强度准则。本文在数值模拟时，采用抗剪强度准则和抗拉强度准则进行强度破坏判据。在剪应力区：引入工程中安全系数的概念，根据mohr-coulomb强度准则，建立基于单元的安全系数 ，给出了围岩稳定评价方法的量化指标^[5]：即当单元的局部安全系数 时，判断该单元发生剪切破坏；在拉应力区：当 时，即认为发生拉断破坏。

2.3计算模型的选取

计算模型中计算域的大小对数值模拟的结果有较大影响，计算域取得太小就会影响计算结果的精度及可靠性，但计算域取得太大又使单元划分过多，受计算机容量的限制会给计算带来一定程度的困难。本文主要研究采场回采后围岩应力变化情况，模型上下面边界和四个侧面边界各距采场硐室距离分别为3倍的采场硐室高度、跨度和长度。

2.4初始条件与边界条件

初始地应力场也是影响计算结果可靠性的因素之一^[6]，由于吴庄铁矿矿区构造应力较小，初始地应力场仅按自重应力场考虑。根据弹性力学原理，竖向应力 ，本次计算不考虑局部影响产生的重复构造运动，材料破坏，上覆岩层应力解除以及封闭应力^[7]，从中得出水平应力 。其中： 为岩体容量， 为埋置深度， 为侧压力系数， ， 为泊松比。

模型上部施加应力边界条件，其余五个边界均施加位移约束条件。开挖通过model null range group excavate命令来实现，另外为了更真实的模拟，计算过程中通过边界应力释放的速率来模拟采场开挖的过程。

浏览《急倾斜厚大矿体采场结构参数数值模拟优化研究》全文

免责声明：矿库网文章内容来源于网络，为了传递信息，我们转载部分内容，尊重原作者的版权。所有转载文章仅用于学习和交流之目的，并非商业用途。如有侵权，请及时联系我们删除。感谢您的理解与支持。