矿业矿区井下充填系统稳定性分析.…

矿业矿区井下充填系统稳定性分析.…
发布时间：2022-12-06T03:24:36.000Z 来源：《工程建设标准化》2022年第15期8月作者：赵华民[导读] 在矿业矿区作业中，
赵华民
安徽马钢罗河矿业有限责任公司 231500【摘要】在矿业矿区作业中，为了有效保障井下填充系统的稳定性及安全性，有效通过建模的方法完成对矿区地表及矿体等复杂模型的构建，更全面地了解井下填充系统附近地表的位移状况，保障矿区开采工作的顺利进行。

基于此，本文就矿业矿区井下填充系统的稳定性进行研究分析，得出相关参数使填充系统的稳定性处在安全区间内。

【关键词】FLAC3D;Mohr-Coulomb屈服准则；地表沉降；稳定性分析
矿山生产首先要符合绿色矿山开采政策，有效保障地表建筑物、构筑物的安全与稳定。

在矿体的开挖过程中要注意覆岩体的塌陷，避免出现地表的裂缝、沉降问题，严重的情况下如果发生坍塌，直接给矿山的生产造成严重的后果。

矿山采用的是充填采矿法，碎矿采用三段一闭路工艺，对于矿山开采工作，全面设置监测设备，有效监测地表的位移情况，虽然能够保障地表系统的稳定性，但是成本较高，耗时较长，亟需探索出更为先进的办法，解决地表下沉的问题。

截至目前，地表下沉的措施主要有3种，分别是理论分析法、数值模拟法以及物理模型模拟法，其中数值模拟法应用最为普遍。

本次就数值模拟法进行矿区井下填充系统的稳定性分析，具体内容如下。

一、工程概况本次研究选取的是龙塘沿铁矿作为研究对象，矿区资源量3517.28万t,TFe平均品位39.52%。

矿山采矿采用充填采矿法进行，设计生产能力130万t/a；选矿设计生产能力180万t/a。

矿山基建完成后能否尽快达到设计生产能力，在很大程度上依赖于充填系统能否顺利运行，充填装备是否可靠，充填质量能否得到保证。

通过对矿区进行勘探，矿体围岩为规制碎裂岩或安山岩。

本次的矿山回采使用的是充填采矿法，不进行顶柱和间柱的设置，在回采阶段进行40米高度的生产，自上而下共分为10个分段，在矿体开采中保障填充系统的稳定性。

二、数值模型的建立（一）建模步骤本次建模方法选用的是3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模，具体的操作内容如下。

（1）进行地表地形线的赋值。

在3Dmine软件中，通过等值线附高程命令将地表地形线进行轮廓线的生成，以DXF的格式传输到Rhino 中，在嵌面命令下进行地表平面的生成。

见图1。

图1地表平面（2）进行矿体建模。

矿体建模采用的是Rhino软件，根据实际位置创建矿体模型与地表模型，在坐标内对齐，构建出地表模型范围内的矩形实体，内部含有地表和矿体，符合相应的模拟边界要求。

同时进行地表模型的剖切，在剖切的指令下对矩形横切为上下两部分，去除掉地表和上部模型，完成整个模型的建立。

见图2。

图2模型剖切示意（3）进行封闭单元的检查。

在建立模型后，应检查每个单独模型的独立情况，否则没有封闭的模块不能被FLAC3D识别。

如果发现该模型没有封闭，应在Griddle软件中通过Gsurf指令进行网格划分，选定5m*5m的网格对四面体网格进行划分，再通过Gvol指令输出到FLAC3D完成建模的整个过程。

（二）计算模型
模型计算涉及整个矿区的矿体和地表，其中对于矿体的计算可分为10个步骤由上而下的顺序进行回采，具体开挖体模型见图3。

根据图1中的颜色区分进行开挖，相同颜色开挖步骤一致，整个上层矿体开挖完后，进行模型内填充，然后依次进行下一步骤的操作，直至整个开挖模型的开采完成。

由于地表地形大多属低山、丘陵区域，所以呈现到模型上的地表较为平缓，起伏不大。

本次的计算模拟采用的是Mohr-Coulomb屈服准则，根据非线性力学分析法进行三维数值计算，模型三维的数据计算网络（见图4）共有93883个，受岩体性质的多样性特点的因素，在进行矿体开挖时很容易出现围岩卸压松弛、掉块、变形等问题，对此采取Mohr-Coulomb屈服准则的计算使用。

（a）主视图俯视图（b）俯视图
图3
开挖体模型
图4数值计算模型（三）计算参数通过对前期地质调查中取得的岩样进行岩石力学试验，计算出金山矿业矿体和围岩的岩石力学参数，对该参数利用Hook-Borwn准则进行折减，得到围岩、矿体的岩体力学参数，充填体参数选用1?8灰砂比的强度参数。

模拟计算中的各项力学参数，见表1。

表1岩石力学参数
岩石名
称
块体密
度/(g∙cm−3)
抗剪参数变形参数
内聚
力/MPa
内摩擦
角/(°)
弹性模
量/GPa
泊松比
矿石 2.54 5.9135.0616.230.13
围岩 2.59 3.6451.397.580.20
充填体 2.090.1638.60.220.18
（四）边界条件
模型顶部为矿区地表，不施加约束条件。

对模型左右、前后等面施加法向固定约束，底部施加全约束。

模拟全过程依靠自重进行计算，取重力加速度为9.8 m/S2，本次模拟忽略构造应力影响。

三、井下充填系统稳定性分析
完成初始应力平衡计算和位移清零后，开始对矿体进行开挖计算，开挖过程一共分为10个步骤，对应矿体的10个阶段。

计算过程中，在距充填系统4个角落1 m处的位置设立4个监测点，监测和记录每一步矿体开挖和充填时充填系统附近发生的水平及垂直位移移动情况，矿体全部开挖后的竖直方向位移云图如图5所示，通过对4个监测点的数据进行分析整理，得到监测点在不同开挖步骤下的位移曲线（见图
6）。

通过图6（a）可知，布置的4个监测点最大垂直位移为0.43 m，第1步开挖时，监测点均未出现明显变化，自第2步开挖起，监测点位移曲线斜率明显增大，在第7步时达到最大值，而后变缓；从图6（b）可知，监测点最大水平位移为0.27 m，水平位移变化趋势较稳定，自第1步开挖起，几乎以相同的变化趋势逐渐增大，在第6步开挖时，1#、2#监测点位移有瞬间的起伏，之后以位移变形值大于3#、4#监测点的趋势稳定增加。

根据《有色金属采矿设计规范》I级保护物等规定要求：一般砖石结构建筑物规定倾斜值i=3 mm/m、曲率k=0.2、水平变形值ε=2 mm/m的临界变形极限值。

通过计算得该矿区井下充填系统地表最大变形值为倾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平变形值ε=1.3
mm/m，均未超出安全规程规定的极限变形值，充填系统处于稳定范围内。

图5计算结果及监测点布置
（a）垂直位移变化曲线（b）水平位移变化
图6监测点位移曲线
四、结束语
综上所述，运用3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模方法，可以完美弥补FLAC3D软件建模功能不够强大的弊端，成功实现利用FLAC3D软件对复杂矿体的计算模拟。

通过分析4个监测点水平及垂直位移情况，计算出井下充填系统所处位置地表最大变形值为倾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平变形值ε=1.3 mm/m，不超过极限变形值，确定矿体开采不会对充填系统造成负面影响。

【参考文献】
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