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某矿分段采场上盘围岩稳定性分析及工程应用 杨春城 （四川机电职业技术学院材料工程系， 四川 攀枝花 617000） 摘要为了保证某倾斜矿体分段采场的安全生产， 采用理论分析和FLAC3D相结合的方法对不同条件的采场 上盘围岩的稳定性进行研究； 分析各参数条件下上盘围岩的当量暴露面积、 应力、 位移、 塑性区分布等指标与采场长 度、 高度之间的关系； 结合岩石强度理论、 拉应力区分布面积及位移极限判据提出安全经济的结构参数， 并通过工程 应用对分析结果进行论证。结果表明 当量暴露面积随采场长度的增长率大于随高度的增长率， 当采场长度大于 40 m时， 采场高度对当量暴露面积的影响权重逐渐增大； 当采场长度和高度均为40 m时， 其上盘围岩沿采场左右边 缘及底部分布拉应力破坏区， 最大位移量为41.77 mm， 局部逐渐产生了塑性区， 但各塑性区未发生贯通， 可保持自身 稳定。工程应用结果表明， 开采过程中上盘围岩在出矿期间未出现剥离和掉渣现象， 整体稳定。因此， 为了有效保 证采场安全和生产效率， 建议矿山采场高度选择40 m， 长度选择40 m。 关键词分段采场上盘围岩当量暴露面积数值模拟工程应用 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-020-06 DOI10.19614/ki.jsks.201904005 Stability Analysis of Hanging Wall Rock at Sublevel Stope and Its Engineering Application in a Mine Yang Chuncheng2 （Department of Materials Engineering， Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology， Panzhihua 617000， China） AbstractIn order to ensure sublevel mining safety of inclined orebody, theoretical calculation and numerical simulation were combined to analyze the stability of the hanging wall rock at sublevel-step stope with different struc- ture parameters. The relationship between equivalent exposed area, stress variation, displacement and plastic zone distribu- tion of surrounding rock on the hanging wall and the length, height of the stope was analyzed under different parameter condi- tions. Based on the theory of rock strength, the distribution area of tensile stress zone and the limit criterion of displacement, the parameters of stope structure which can guarantee the stability of the upper plate were put forward and demonstrated by the engineering application. The results show that the increase rate of equivalent exposed area with the stope length is greater than that with the height. When the stope length is greater than 40 m, the influencing weight of stope height on equivalent ex- posed area increases gradually. When stope length and height are both 40 m, the maximum displacement of surrounding rock on the upper wall along the left and right edges and the bottom of stope is 41.77 mm, and the plastic zone gradually generates in local. However, each plastic zone does not penetrate with each other, so it can maintain its own stability. The engineering application results show that there is no peeling and slag dropping of the surrounding rock on the hanging wall during the min- ing process, with good stability. Therefore, in order to effectively ensure the safety and production efficiency of the stope, it is suggested that the height of the stope should be 40 m and the length should be 40 m. KeywordsSublevel stope， Hanging wall rock， Equivalent exposed area， Numerical simulation， Engineering application 收稿日期2019-03-15 作者简介杨春城1968， 男， 副教授。 采场的稳定性既要考虑采场生产能力和矿山效 益， 又要考虑矿山的生产安全， 其主要受采场结构参 数和围岩稳固性影响， 我国大部分矿山根据矿岩的 稳固程度和采矿装备选择采矿方法和采场的结构参 数 ［1-2］。随着采矿技术的不断创新、 采矿装备的不断 更新， 矿山逐渐由浅孔落矿向中深孔或深孔落矿的 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 20 ChaoXing 方式进行转变， 进而增加单次落矿量， 提高矿山设备 的利用率。然而， 大量的落矿就引起大面积的围岩 发生暴露， 采场的安全性降低。因此， 国内众多学者 针对分段或阶段开采的采场稳定性进行了大量研 究。解盘石 ［3］应用理论分析、 数值模拟和物理相似模 拟相结合的方法对大倾角大采高的煤层顶板结构形 成与演化特征进行了分析， 并通过现场监测论证了 分析结果的合理性； 占飞 ［4］应用FLAC3D对上向分层充 填法不同结构参数的采场充填体、 间柱、 顶板的稳定 性进行分析， 为矿山提出了建议性的参数； 崔松 ［5］采 用数值模拟方法对两步骤回采大跨度采场的稳定性 进行了分析， 结合分析结果提出了控制措施。大多 学者针对采场稳定性分析时重点关注其顶板的稳定 程度， 而当采场矿体倾角较小时， 分段开采过程中将 引起上盘围岩的大面积暴露， 直接影响采场的安全 生产。徐晓宏 ［6］采用FLAC3D和力学分析相结合的方 法对东升庙2矿体采空区上盘围岩的破坏形式和稳 定性进行了分析， 提出了矿柱回采的合理顺序； 刘志 义 ［7］采用理论计算和数值模拟相结合的方法对中深 孔落矿二步采场不同参数条件下的上盘围岩稳定性 进行了计算分析， 提出建议的结构参数。 某矿区矿体呈脉状， 其倾角为40～45 ， 平均厚 度为17.6 m。根据矿山的设备情况和岩石的稳固程 度， 矿山设计采用分段凿岩阶段落矿嗣后充填法开 采， 采场沿走向布置， 顶部留设顶柱4～5 m。当采场 落矿结束后， 由于矿体的40～45 倾角和沿走向布置 方式使得上盘围岩产生大面积的暴露， 直接影响矿 山采场生产安全。因此， 有必要针对不同结构参数 的采场上盘围岩的稳定性进行计算分析， 确定合理 的采场长度和高度， 为该矿山矿体安全开采提供理 论支撑。 1上盘围岩稳定性理论分析 大量研究表明， 判断采场揭露的原岩是否稳定， 不仅要考虑其揭露面积的大小， 更应考虑揭露面的 形状， 当等面积揭露原岩时， 因形状不同其稳定程度 将有差异。张志文 ［8-9］通过研究推导提出了一项综合 考虑揭露面的大小和形状的指标， 即为当量暴露面 积， 其计算方法为 Se ■ ■ ■ ■ ■ ■3-2■ ■ ■ ■ k23 -k ka2，（1） 式中，Se为当量暴露面积， m2；ka/b；a为采场的长边 值；b为采场短边值。 某矿区矿体倾角为40～45， 根据矿山的设备情 况和岩石的稳固程度， 矿山设计采用中深孔落矿嗣 后充填法开采， 初步设计采场 （阶段） 高度选择30 m、 40 m、 50 m， 采场长度选择20 m、 30 m、 40 m、 50 m、 60 m， 则将采场高度和长度进行组合代入式 （1） 进行计 算， 将计算结果绘制曲线如图1所示。 由图中1 （a） 可知， 上盘围岩的当量暴露面积随 着采场长度的增长而逐渐变大， 近似呈线性关系， 且 采场高度分别为30 m、 40 m、 50 m的采场其随长度的 增长率不断增大， 即随着采场高度的增加， 采场长度 对上盘围岩稳定性的影响权重不断加大。根据图1 （b） 可知， 随着采场高度的不断增加， 上盘揭露围岩的 当量暴露面积呈逐渐增大趋势， 且采场长度越大， 其 增长率越大， 即随着采场长度的增加， 其对采场长度 的敏感性不断增强， 二者相比采场长度对暴露围岩的 稳定性影响权重比采场高度的大。当采场长度＞40 m时， 当量暴露面积随着高度的增长率不断增大， 影 响权重不断增强； 当采场高度＞40 m时， 采场长度对 上盘揭露围岩稳定性的影响权重不断增强。综上分 析可知， 当采场长度≤40 m、 高度≤40 m时， 二者对其 稳定性的影响权重较小， 其整体稳定性较好。 2上盘围岩稳定性数值计算分析 2. 1计算模型的建立 根据矿山的设备情况和岩石的稳固程度， 矿山 设计采用分段凿岩阶段落矿嗣后充填法开采， 采场 沿矿体走向布置。根据设计的采矿方法建立如图2 所示的计算模型。由于采用充填法开采， 上一中段 杨春城 某矿分段采场上盘围岩稳定性分析及工程应用2019年第4期 21 ChaoXing 充填体作用在顶板上， 采场开挖后， 围岩将产生弹塑 性变形。计算模型采用2个弹塑性增量影响因素进 行分析 ①考虑施加初始应力后， 加载矿体、 周围岩 体以及充填体的自重荷载， 加载模型顶部为充填体 与上部岩体自重力； ②考虑采场开挖。 2. 2计算方案 根据矿区上盘围岩力学实验测试结果可知， 上 盘围岩普氏硬度系数为6～8， 属于中等稳固。结合上 盘围岩稳定性理论分析结果可知， 采场高度选择40 m较为合理， 因此， 数值模拟主要优选采场长度。根 据矿山的矿岩稳固性评价结果和初步设计， 采场长 度选择20 m、 30 m、 40 m、 60 m作为数值模拟计算方 案， 见表1。通过分析上盘揭露围岩的应力、 位移、 塑 性区等参数随长度的变化规律， 优化出合理的参数。 2. 3模型计算力学参数 通过对矿区的上、 下盘围岩及矿体进行取样开 展力学测试实验， 结合矿区上下盘围岩与矿体的节 理裂隙调查结果， 参考相关标准规程对岩石的力学 参数进行强度折减， 作为数值计算中各模块赋值参 数， 见表2。 2. 4计算结果分析 2. 4. 1上盘围岩应力分析 各方案条件下的采场上盘围岩最大主应力云图 如图3所示。由图3可知， 方案一的采场上盘围岩在 中部位置的竖直方向产生成点分布的开裂， 但发生 开裂的区域没有相连， 上盘围岩在底部产生相连成 线的拉应力破坏区； 方案二的采场上盘围岩最大拉 应力区域逐步相连成线， 沿采场左右边缘及底部分 布， 围岩中间部位在高度方向有产生拉应力破坏的 趋势； 方案三的采场上盘围岩最大拉应力超过岩体 抗拉强度的区域相连成片， 沿采场左右边缘及底部 分布， 围岩中间部位在竖直方向有较大区域将产生 拉应力破坏； 方案四上盘围岩超出其抗拉强度的拉 应力分布区域相连成片， 最大拉应力区主要分布在 采场的左右边缘和底部。 金属矿山2019年第4期总第514期 22 ChaoXing 在输出结果中沿上盘围岩从下至上设置观察路 径1， 沿采场长度方向设置观察路径2， 如图4所示。 通过路径上各节点的应力状况查看采场不同长度下 拉应力区域的拉应力值， 并与岩体的抗拉强度作对 比。 图5和图6分别为方案三、方案四观察路径1和 路径2各节点的应力值。 由图5可知， 方案三的采场上盘围岩沿观察路 径1方向处于拉应力状态的有23 m范围， 距离采场底 面 10.41～11.74 m 的岩体拉应力明显超过其抗拉强 度， 产生 1.33 m 高的拉应力破坏区， 最大拉应力为 0.71 MPa； 方案四的采场上盘围岩在沿观察路径1方 向处于拉应力状态的有26.5 m范围， 距离采场底面 9.30～12.13 m的岩体拉应力明显超过抗拉强度， 产生 2.83 m高的拉应力破坏区， 最大拉应力为1.12 MPa。 由图6可知， 方案三的采场上盘围岩在沿观察路 径2方向处于拉应力状态的有31.7 m范围， 在采场长 度方向的1/5和4/5位置的岩体拉应力超过其抗拉强 度， 且范围很小， 采场长度方向其他位置的岩体拉应 力均未超过其抗拉强度， 整体稳定性较好； 方案四的 采场上盘围岩在沿观察路径2方向处于拉应力状态 的有52.8 m范围， 且在沿采场长度方向上的岩体拉应 力均超过或接近其抗拉强度， 产生大范围的拉应力 破坏区， 整体稳定性较差。 2. 4. 2上盘围岩位移变化特征 上盘围岩位移方向大体指向围岩自由面的法线 方向， 其变化特征如图7所示。由图7可知， 上盘围岩 的位移随采场长度的增加逐渐变大， 各方案的采场上 盘围岩最大位移量分别为27.06 mm、 34.5 mm、 41.77 mm、 62.74 mm。根据国内外矿山开采实际经验 ［7］可 知， 当岩体位移量在20～50 mm之间时岩体可以保持 稳定， 当位移量在50～100 mm之间时岩体可能不稳 定。因此， 综合考虑矿山生产安全和效率， 根据上盘 围岩位移变化特征建议选择方案三。 2. 4. 3上盘围岩塑性区变化特征 不同方案的采场上盘围岩的塑性贯通区与底部 产生拉应力破坏的区域完全一致， 因此可认为采场 开采时， 在采场的底部沿长度方向产生塑性区域。 破坏区域与水平方向夹角 80～87， 向围岩内部发 展， 方案一采场向内延伸7.12 m， 方案二采场向内延 杨春城 某矿分段采场上盘围岩稳定性分析及工程应用2019年第4期 23 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ 伸6.65 m， 方案三采场向内延伸6.66 m， 方案四采场 向内延伸10.38 m。方案二与方案三的采场上盘揭露 围岩的塑性区向内延伸得最小， 且二者破坏程度相 近； 方案四的塑性区相连成线， 且区域有贯通相连成 片趋势， 如图8所示。因此， 根据上盘围岩塑性区变 化特征选取方案二或方案三是合理的， 考虑到开采 效率， 可采用方案三。 综合上述理论分析和数值分析结果， 考虑矿山 的生产效率和经济效益， 建议采场高度选择40 m， 采 场长度选择40 m。 3工业试验 在矿山480盘区5号采场按照优选结果方案三 开展工业试验。采用中深孔落矿， 按扇形方式布置 炮孔， 排距为1.5 m， 孔底距为2.2 m， 采用散装铵油炸 药爆破， 如图9所示。上盘围岩揭露后在出矿期间未 出现剥离和掉渣现象， 如图10所示。 工业试验结果表明， 优选的采场结构参数既能 保证矿山安全， 又能有效保证矿山的生产效率和经 济效益。 4结论 （1） 根据理论计算分析结果可知， 当采场长度＞ 40 m时， 当量暴露面积随着采场高度的变化率逐渐 变大， 影响权重不断增强； 高度＞40 m的采场其稳定 程度受采场长度的影响逐渐增强。 （2） 根据数值模拟计算结果可知， 方案三的采场 上盘揭露岩体局部沿采场左右边缘及底部分布产生 超过其抗拉强度的拉应力， 位移量达41.77 mm， 可保 持自身稳定， 围岩产生的塑性区未发生贯通； 当采场 长度为60 m时贯通严重， 围岩有失稳风险。 （3） 方案三的工程应用结果表明， 开挖后的采场 上盘围岩揭露后， 自稳能力较好， 在出矿期间未发生 岩石掉落。 参 考 文 献 彭康， 李夕兵， 彭述权.基于响应面法的海下框架式采场结构 优化选择 ［J］ .中南大学学报自然科学版.2011， 42 （8） 2417- 2422. 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