基于FLAC3D模拟的破碎矿柱群安全回采顺序优化研究

覃庆韩 郭泽洋 韦 峰

（1.广西华锡矿业有限公司铜坑矿业分公司；2.长沙矿山研究院有限责任公司）

铜坑矿92#矿体为特大型缓倾斜锡多金属矿体，早期按100 m 间距的勘探线划分盘区，分区回采，并预留盘区之间的矿柱。开采后期，对于蕴藏有大量优质资源的盘区矿柱需要全面回收，因面临复杂的应力环境，且矿岩结构非常破碎，因此，如何实现盘区矿柱的安全高效回收一直以来都是制约矿山安全生产的一大难题［1］。针对这一难题，很多学者开展了研究探索，陈何等［2］应用束状大直径深孔爆破技术，对92#矿柱群的回采展开研究，取得了较好的效果；袁本胜等［3］通过声发射技术，在矿柱群回采过程中进行地压活动检测，统计得出了采场应力场与声发射活动频度之间的相关关系；张绍国［4］通过预裂爆破与分段凿岩和底部出矿的优化改进方案，顺利采出矿柱矿石31.05万t，取得了良好的社会效益和经济效益。

从矿山整体安全角度考虑，回采顺序在盘区矿柱安全回采中具有十分重要的意义，直接影响矿山整体的应力分布与位移变形。FLAC3D作为一种大型有限元非线性分析软件，经过几十年的发展已相当成熟，尤其在矿山领域得到了广泛应用与认可［5-7］。基于此，本文使用FLAC3D软件，对铜坑矿破碎盘区矿柱群的回采顺序进行模拟研究，为矿山最优回采顺序的选择提供科学参考。

1 工程概况

铜坑矿业分公司隶属于广西华锡矿业有限公司，是集团公司主要原材料的生产基地，其开采的主要矿体从上至下依次为细脉带矿体、91#和92#矿体，在竖直方向呈立体重叠产出。矿床受倒转背斜和与之大致平行的次级隐伏背斜以及轴向近东西向的短轴背斜复式倾伏端所控制［8］。92#矿体西走向长680 m，南北倾向长830 m，倾角15°～25°，最大厚度71 m，平均厚度22 m。

统计92#矿体各区段矿岩力学性质、主要节理组及产状、节理密度等因素，结合Q值法质量评价，赋矿岩体属中等稳固，矿体裂隙发育，稳固性差。92#矿体开采范围约1 km2，按主要勘探线自东向西划分为7个盘区开采，设计盘区宽度100 m，盘区之间预留盘区矿柱宽25 m。目前各盘区主要矿块回采完毕。由于前期采取部分崩落顶板和部分嗣后充填处理采空区的方式开采，造成盘区矿柱群大部分矿体和围岩受压破碎，矿柱周围充填体和崩落体结构复杂，尤其在深部中段回采，面临高地应力和结构复杂环境，盘区矿柱群回采十分困难，目前仍有大量矿柱的优质资源亟待回收。受矿体局部重叠的影响，盘区矿柱在回采时应力集中明显，因此通过三维数值模拟分析，掌握岩体应力时空分布特征与地应力转移规律，进行开采方案和回采顺序的优化，从而实现深部资源高效协同开采。

2 数值模拟方案

2.1 模型建立

本次建立的数值模型需要考虑矿山的实际开采状况，对矿区整体建模，包括细脉带矿体、91#和92#矿体，采用FLAC3D三维有限元模拟方法对开采现状及下步开采情况进行分析，确定出最优回采顺序。

用前处理软件进行外部建模。根据采区围岩、采充现状及规划情况，建立整体模型。模型范围X=0～1 504.75（共1 504.75 m，为沿矿体东西方向），Y=0～2 123.55（共计2 123.55 m，为沿矿床南北方向），Z=0至地面，共划分176.2万个三角形网格，模型如图1所示。

建模过程中的边界条件和初始条件如下：

（1）模型底部采用固定约束，约束三向位移，四周采用水平位移约束，固定轴向位移，模型最顶部为自由面。

（2）在Y轴负方向施加重力加速度，大小为9.81 m/s²。

（3）根据前期在405 m 水平原岩应力的实测结果，σ1＝25.4 MPa，水平方向；σ2＝17.1 MPa，水平方向；σ3＝7.3MPa，竖直方向。采用有限元模拟分析时，竖直方向的应力仍按岩层的自重计算，水平方向的2个应力则通过侧向系数的形式表达，侧压系数分别为3.0 和2.8，参照深部地应力实际测量结果，随着深度增加，侧压系数逐步减小。

2.2 物理力学参数

根据矿山工程地质特征，经归类工程处理后考虑7种力学介质，即泥灰岩、大扁豆灰岩、细脉带硅质岩、小扁豆灰岩、宽条带灰岩、矿体、充填体，综合选取岩体力学参数进行计算。矿围岩、矿体、充填体力学参数见表1。

2.3 模拟方案

92#矿体的盘区矿柱群目前有数百万吨高价值矿石资源待回收，选取四盘区矿柱为试验区域进行模拟分析，为下一步盘区矿柱群回收提供参考，各矿块的位置及形态如图2 所示。为便于试验区域矿体回收，减小试验区域上部松散体的影响，拟定3 种回采顺序方案进行模拟分析，方案一：先偏中心切割，接着回深部边缘矿块，最后按顺序后退回采，即按照Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ矿块的顺序；方案二：按照自下而上（自北至南）顺序，即按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ矿块的顺序；方案三：按照自上而下（自南至北）顺序，即按Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ矿块的顺序。

3 数值模拟结果

3.1 各方案最大应力对比分析

不同回采方案中，各试验矿块回采结束后应力场都重新分布且发生变化，由图3 和图4 可以看出，方案二和方案三各试验矿块回采结束后采空区顶板最大主应力在1.15 MPa 左右，方案一中试验矿块Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ回采结束后采空区应力较小，回采试验矿块Ⅳ、Ⅴ时应力增大。从最大主应力角度分析，方案一按照Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ的顺序回采应力较小。

3.2 各方案最小主应力对比分析

通过提取各方案不同试验矿块回采阶段采空区的最小主应力值，得到最小主应力对比曲线如图5所示，方案一最小主应力的极值在40 MPa左右，方案二和方案三的最小主应力极值在55 MPa 左右，方案二和方案三在局部很容易发生压应力破坏。对比3 条曲线，方案一整体的最小主应力值较方案二和方案三要小，说明方案一在回采阶段采空区更稳定。

3.3 各方案位移对比分析

图6 为不同方案各试验矿块采空区顶板的最大位移曲线图，可以看出，方案一各试验矿块回采结束采空区的位移在3个方案中处于较低的水平，试验矿块采空区顶板最大位移在18.72 cm左右，方案二和方案三试验矿块采空区顶板最大位移分别在25 cm 和23 cm 左右。从位移角度分析，方案一最大位移最小。

3.4 综合分析

根据模拟结果综合各项指标考虑，最终确定的回采顺序为方案一，即按照“先偏中心切割再回采深部边缘矿块然后按顺序后退回采”的矿块顺序进行回采。为了防止施工中破碎矿柱和充填体的片落，模拟了首采矿块在盘区矿柱一侧预留3 m和5 m矿柱的力学环境，分析结果为，预留5 m 边柱的方案整体上从应力、位移和塑性区角度优于预留3 m 边柱的方案。因此优先推荐矿柱回采施工中边部预留5 m 边柱，为凿岩、爆破施工提供安全保障。回采过程中采用应力与围岩监测及微震监测等手段监测矿柱与围岩稳定性，实施安全回采。

4 结论

（1）通过对3 种回采方案中最大、最小主应力和位移分析，采取方案一，即先偏中心切割再回采深部边缘矿块然后按后退式回采的顺序，相比其他方案，其采空区顶板的位移量最小，顶板所受拉应力较小，回采过程最为安全可靠。

（2）分析了首采矿块预留边柱可有效避免应力集中情况的发生，可增加回采过程岩体的稳定性，即首采矿块预留5 m 边柱，再切割偏中心的矿块，然后采用后退式顺序回采，及时充填已回采的矿块，并采用微震监测等手段监测矿柱与围岩稳定性。提供现场实验研究，分阶段实施盘区矿柱的安全高效回采，取得了良好的回采效果。

（3）通过研究，解决了深部资源回收面临的高地应力破碎盘区柱安全精准开采的技术难题，可进一步推进矿山数字化和智能化协同开采建设进程。