尹仕湘 牛向东 侯克鹏

(1.云南黄金矿业集团股份有限公司；2.云南亚融矿业科技有限公司；3.昆明理工大学国土资源工程学院)

矿山工程的稳定是一个动态稳定问题，贯穿于矿山生产与建设的始终，在矿山基建阶段就可能出现巷道变形、塌方、冒顶，在矿山生产阶段则可能出现矿柱破坏、采场失稳[1-3]。影响采矿工程稳定性的因素很多，而岩石和支护材料的力学性质、地应力状态及工程的施工方法是主要影响因素。在相同原岩应力及岩体强度参数下，不同结构参数的采场围岩及矿柱的应力和位移分布状态也不相同，直接影响到采场的稳定[4-5]。

近年来，国内外已有很多学者针对采场结构参数优化进行了许多相关的研究工作。陈顺满等[6]基于响应面法对破碎围岩条件下采场结构参数进行优化研究，得出采场稳定性整体满意度随采场高度的增加而降低，随矿柱直径、矿柱间距和矿柱排距的增大，呈现出先增大后减少的趋势。徐帅等[7]基于SOM的深埋厚大矿体采场结构参数优化研究，采用FLAC3D进行数值模拟计算，得到采场长度对采场稳定性影响最大，采场高度次之，其他因素影响相对较小。汪伟等[8]采用FLAC3D对无底柱深孔后退式崩矿法采场结构参数优化，通过弹性力学小薄板理论分析得到顶板稳定性随采场结构参数的变化关系，优化确定了无底柱深孔后退式崩矿法的采场结构参数。

为保证羊拉铜矿里农矿段多层矿体安全开采，利用3D-σ有限元数值分析软件对里农矿段多层矿体不同采场结构参数进行数值分析研究。

1 矿体赋存条件

羊拉铜矿里农矿段为多层缓倾斜中厚矿体，矿体呈上下层产出，且部分地段上下矿体之间的距离较近，矿区呈现多层矿体互存开采现象。里农矿段矿体以硫化矿为主，顶板岩性为大理岩，节理较发育，节理面以平直、平滑者为主，产状与坡体表面近于一致的，以平直、粗糙为特征，绝大多数节理由岩屑部分充填；矿体底板岩性为变质石英砂岩，节理发育，局部密集发育，岩石破碎，岩体完整性差。

矿区呈陡峭地形地貌特点，矿体出露地表，采用地下开采，针对矿体的不同产状，采矿方法主要有底盘漏斗空场法、房柱法和全面法等。采空区离地表较近，地表覆盖岩石稳固性差。对于这种陡峭地形的多层矿床开采，必须维护上层矿体顶板、矿柱及夹层的稳定，否则，必将导致较大规模的地压活动，造成矿石难以采出，生产能力低下，产生大面积冒顶，地表岩体移动，引起地表塌陷、滑坡及大量滚石。因此，要解决的主要岩石力学问题是确定矿体开采前后的应力和位移及其在开采过程中的变化，优化采场的结构参数，为设计和施工提供一定的理论依据。

2 数值模拟

空场法是利用矿柱支撑顶板，控制其变形破坏。应用空场采矿法开采时，要使采场处于良好的稳定状态，要求矿房跨度不超过极限值，采场暴露面积不超过极限暴露面积，同时还要最大限度地利用采场矿柱的强度。矿房跨度过大或矿柱尺寸过小，会使矿房顶板冒落，矿柱压坏；矿房跨度过小或矿柱尺寸过大，矿房虽很稳定，矿柱有足够的强度，但矿石回收率有明显降低。因此，合理的采场结构参数和正确的地压控制方法，是保证矿房回采安全的前提，能够最大限度地回收矿石资源。

数值模拟方法是近几十年发展起来的高效经济的计算机仿真技术，在我国矿山开采工程中的应用越来越得到人们的重视，已经成为矿山岩体力学必不可少的有效研究措施[9-15]。利用3D-σ数值模拟计算软件，对羊拉铜矿里农矿段的多层矿体地下开采的采场结构参数进行计算优化。

2.1 矿岩物理力学参数

通过室内岩石力学试验，获得该矿段内矿岩的物理力学参数，见表1。

表1 羊拉铜矿里农矿段矿岩的物理力学参数

注：矿岩物理力学参数来源于《羊拉铜矿高山复杂矿床安全高效开采技术试验研究》成果。

根据该矿区主要矿岩的物理力学性质和试验结果，同时考虑试件的尺寸效应、矿岩所处的力学环境等因素，基于Hoek-Brown强度准则对室内岩石物理力学参数进行工程折减，获得数值模拟计算所需物理力学参数，见表2。

表2 折减后羊拉铜矿里农矿段矿岩的物理力学参数

由于计算研究范围涉及的岩体、矿体均属于弹塑性材料，模拟计算采用理想弹塑性模型(莫尔-库仑模型)。模型周边和底面为位移边界条件，周边限制水平运动，底面限制垂直运动，模型上面为自由边界。

2.2 几何模型建立

羊拉铜矿里农矿段以缓倾斜薄至中厚矿体为主，采用底盘漏斗空场采矿法开采。矿体分盘区回采，盘区沿矿体走向依次回采，盘区间柱宽5 m。每个盘区由沿走向隔离矿柱划分成上下2个采场，采场隔离矿柱宽5 m，采场斜长40 m。该矿段三维几何模型见图1。

2.3 数值模拟方案确定

采场允许暴露面积是指导采矿设计与矿山生产的一个重要参数，根据顶板允许暴露面积可优化采场及盘区的结构参数。岩体的力学状态及变形位移，是评价岩体稳定条件的依据。羊拉铜矿里农矿段矿体最大厚度为41.25 m，平均为10.54 m，矿体埋深约250 m。利用卡斯特纳方程可得到矿体上覆岩层大理岩塑性区半径Rp，即

图1 羊拉铜矿里农矿段盘区三维几何模型(单位:m)

(1)

式中,Rp为开挖处塑性区的半径，m；R0为开挖半径，m；P0为开挖处的上覆岩层垂直自重应力，MPa；c为岩体黏聚力，MPa；φ为岩体内摩擦角，(°)；L′为开采空间跨度，即矿块沿走向长度，m；h为开采空间高度，m；γ为上覆岩层的容重，N/m3；H为上覆岩层的厚度，m。

利用上述围岩塑性区理论计算出矿体开采形成的上覆岩层大理岩塑性区半径约57.276 m。根据表2岩体物理力学参数，基于材料力学梁理论计算分析可知，在采场斜长40 m时，采场最大宽度为45 m。因此，选取采场宽度30,40和50 m进行数值模拟。故根据采场不同宽度，提出3种模拟计算方案，方案1为采场宽30 m，采场斜长40 m，顶板暴露面积为1 200 m2；方案2为采场宽40 m，采场斜长40 m，顶板暴露面积为1 600 m2；方案3为采场宽50 m，采场斜长40 m，顶板暴露面积为2 000 m2。

2.4 模拟计算结果及分析

空场采矿法在矿体开采过程中，采场顶板围岩产生的应力值、位移量和塑性区大小是评判不同采场结构参数优劣的重要依据。因此，主要从采场顶板的应力值、位移量和塑性区大小进行分析，不同方案计算结果见图2～图4。

图2 3种不同采场结构参数的采场顶板应力值关系

图3 3种不同采场结构参数的采场顶板位移量关系

图4 3种不同采场结构参数的塑性区分布

由图2～图4可知：

(1)方案1采场顶板中央位置处位移量为20.3 cm，顶板最大拉应力为1.120 MPa，出现在采场顶板中央部位，最大压应力为6.3 MPa，矿体回采后，沿矿体走向和倾向方向，顶板形成应力拱。当采场宽30 m时，采场的2个侧壁顶板出现连续塑性破坏区，沿走向应力拱拱脚受到破坏，但沿倾向方向，各侧壁未受到破坏，顶板岩层压力主要由沿倾向方向应力拱支撑，采场顶板稳定。

(2)方案2采场顶板中央位置处位移量为32.1 cm，顶板最大拉应力为1.307 MPa，出现在采场顶板中央部位，最大压应力为6.9 MPa。当采场宽40 m时，采场的2个侧壁顶板出现连续贯通塑性破坏区，沿走向方向应力拱拱脚受到破坏，但沿倾向方向，侧壁塑性区基本接近连续，采场顶板应力拱脚受到破坏，说明里农矿段顶板最大暴露面积应在1 600 m2以内，此时采场处于不稳定状态。

(3)方案3采场顶板中央位置处位移量为58.7cm，顶板最大拉应力为2.462MPa，出现在采场顶板中央部位，最大压应力为8.2MPa。采场顶板四周出现连续塑性破坏区，各边应力拱脚均受到破坏，顶板处于不稳定状态，说明里农矿段顶板暴露面积难以达到2000m2，采场在此条件下处于不稳定或失稳状态。

通过比较3种不同采场结构参数情况下的顶板应力值、位移量和塑性区可知，方案1采场结构参数时顶板应力值、位移量和塑性区都比方案2和方案3小，说明采场顶板最为稳定，开采最为安全，故方案1采场结构参数最优。

3 结 语

根据羊拉铜矿里农矿段矿体的开采技术条件以及矿岩的物理力学性质，采用3D-σ有限元数值模拟计算软件对3种采场结构参数进行模拟，得出方案1的采场结构参数为最优，即采场宽30 m，采场斜长40 m。现场生产实践证明，采用方案1采场结构参数，能够有效地控制采场顶板变形及冒落，保证了多层矿体安全高效开采。