充填体下矿体回采顺序数值模拟优化研究黄宣淇.docx

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充填体下矿体回采顺序数值模拟优化研究黄宣淇

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摘要：以某矿工程地质为依据，采用了FLAC3D软件模拟研究了不同充填体强度下围岩竖向应力、竖直位移的变化，分析了不同分层开采方式对围岩竖向应力、竖向位移的变化，及其对围岩稳定性的影响。结果表明：充填体强度越大，围岩的竖向位移、竖向应力都呈减少的趋势，增大充填体强度对围岩稳定性有利；在充填体强度为1.2MPa的条件下，在充填体上层开采比下层开采的围岩竖直应力大，但竖直位移相对较小。

关键词：采空区；充填体；围岩稳定性；数值模拟

1前言

矿区采场随着开挖范围的增大，采空区也随之变大，容易造成顶板下沉、冒落，引起大面积采空区垮塌和地面的沉降。因此需要对采空区围岩的稳定性进行分析。采空区围岩的稳定性需依据开采过程中的动态变化进行判定。目前矿业界越来越广泛应用以FLAC3D为代表的数值模拟软件，这些软件已逐渐成为分析围岩稳定性的重要手段。本次模拟对充填方案优化进行探索，为充填采空区的优化提供指导。

2模型的建立及边界条件

本次模拟模型主要由矿区的矿体、围岩和充填体（强度不同）3部分组成，建立如图1所示的模型。模型尺寸为：x轴260m，y轴50m，z轴120m；矿体尺寸为：x轴100m，y轴50m，z轴60m。其余部分为岩体。在本次模拟试验中，开挖前假定模型（矿体、围岩、充填体）处于稳定状态。本文所分析模拟的模型边界条件有：（1）在模型底部（z=0m）水平面，x、y、z方向固定，速度和位移不发生；（2）在模型2个侧面，即x=0m和x=260m，是固定的，速度和位移不发生；（3）在模型y=0m和y=50m2个端面是固定面，速度和位移不发生；（4）所有初始值都为零。

由于矿区开采引发的现状大多受不同强度的充填体和开挖方式的影响，故本次主要模拟不同强度充填体和不同开挖方式两个方案。方案一，充填体作用影响：充填体的作用是支撑采空区围岩及采空区顶板，以减小和防止地表塌陷。本次模拟分析对照了不同充填体充填前后时围岩的竖向位移、竖向应力的变化情况。方案二，开挖方式对围岩影响：开挖方式直接影响工程质量，故需要对开挖方式进行模拟。当矿体深度很深时考虑分层开挖。本次主要模拟上、下层开挖方式对采场及围岩的影响。

4模拟结果分析

4.1模型的初始应力平衡状态

在开挖前由矿体、围岩和充填体组成的模拟模型首先达到初始应力平衡状态，其达到应力平衡状态后模拟得出模型不同方向的应力云图，如图2所示。

图2竖直应力云图

从图2可以看出此次模拟处于初始应力平衡状态，并且能够检验模型网格连接的正确性，为后续开挖及充填做好准备。

4.2充填体在不同充填强度下对围岩影响

在开采一定深度的矿体时，一般是边采边填充一定物质。充填体会对围岩各方向位移产生影响，但对竖向位移的影响最为明显。在模拟方案一中，分别比较各类梯度充填体强度在充填前后围岩的应力、位移的变化。图3是不同充填体强度下的围岩竖直应力云图。在数值模拟软件中，应变值表示围岩体受力情况。当应变值为正时说明岩体受拉力，表现为松弛状态。当应变值为负表示岩体受压，表现为塑性状态。不管岩体处于松弛状态还是塑性状态，其稳定性都不好。随充填体强度增大，围岩竖直应力峰值对应呈现递减的趋势，这说明提高充填体强度，有利于提高围岩稳定性。

增大充填体强度，围岩的竖直位移呈减小趋势，顶底板竖直位移也随之降低，这说明提高充填体强度，对提高围岩稳定性有利。

但在实际充填过程中，充填体强度的增加，同时也会增大成本和技术难度，因此，在矿区实际充填采空区时，可以根据需要选择适当的充填体强度。

结束语：

（1）充填强度的增大，围岩的竖向应力减小、竖向位移减小，说明充填体强度的增大对围岩稳定性有利。（2）在充填强度为1.2MPa的条件下，当在充填体上部开采时，围岩的竖向应力为原应力的4.45倍，围岩底板竖直移动距离为1.33cM；当在充填体下部开采时，围岩竖向应力为原应力的3.89倍，围岩底板竖直移动距离为2.31cm。结果表明，在充填体上层开采时比下层开采时的围岩竖直应力大，但竖直位移相对较小。（3）利用FLac3D分析比较了不同分层开采方式、不同强度充填的采场顶板应力、位移的变化。为今后的矿山设计、生产、充填方案的优化提供了参考依据。

参考文献：

[1]王李管.基于混合整数规划法的采场回采顺序优化分析[J].中国有色金属学报.2016（01）

[2]朱必勇.大规模充填体下保安矿柱规划及矿体回采顺序研究[J].金属矿山.2015（07）

[3]甯瑜琳.两步骤充填采矿法回采顺序优化研究[J].采矿技术.2014（02）

[4]安龙.深部厚大矿体回采顺序设计及优化研究[J].东北大学学报（自然科学版）.2013（11）

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-全文完-