李曉斌 勒治華 樊 碩 李新成

（1.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司，河北秦皇島066004；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

我國金屬礦產(chǎn)資源的特點是規(guī)模較小、開采成本較高、市場核心競爭力弱。研究結(jié)果表明，大型金屬礦山采礦成本的30%～60%與巖體破碎有關(guān)。通過研究礦巖冒落的規(guī)律，調(diào)控采動應(yīng)力誘導(dǎo)礦巖自然冒落，實現(xiàn)利用地壓破碎巖體，可大幅度節(jié)約采準工程量與落礦費用，由此大幅度降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率，從而為國內(nèi)金屬礦山高效開采提供一條新的思路［1］。

近年來，人們逐漸認識到構(gòu)造應(yīng)力對采場上覆巖層移動起重要作用。王軍等［2］利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件、理論分析等方法對不同構(gòu)造應(yīng)力場中采空區(qū)上覆巖層的破壞規(guī)律進行研究，結(jié)果表明隨側(cè)向應(yīng)力的增加，上覆巖層塑性區(qū)高度和體積先減小后增大；范廣勤等［3］研究了在地應(yīng)力較高的情況下礦巖冒落區(qū)域的軸比（或縱橫比）與原始巖體的應(yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，拉底的大小、形狀和布置，以及切幫和預(yù)裂工程的存在，都直接影響巖體的崩落。徐臘明［4］利用三維有限元數(shù)值模擬程序ADINA模擬了程潮鐵礦拉底和割幫工藝作用下礦體的應(yīng)力分布，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選出合理的拉底方案。

影響礦巖可冒性的因素有很多，主要包括礦巖的強度、巖體結(jié)構(gòu)面特征、地應(yīng)力的相對大小、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本項目重點研究地應(yīng)力與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦巖冒落的影響。為實現(xiàn)借助拉底等工程因素誘導(dǎo)礦巖應(yīng)力發(fā)生改變，利用地壓破碎巖體的目的，就需要深入研究“破碎厚大礦體采場礦巖冒落規(guī)律”這一科學(xué)問題，這對于合理確定誘導(dǎo)冒落工程，充分利用地壓，實現(xiàn)低成本、高效率采礦，具有重要的理論價值和實際意義。

1 礦巖冒落數(shù)值模型

1.1 礦巖冒落的FLAC3D系統(tǒng)

FLAC3D是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的數(shù)值分析方法，雖然巖體中會產(chǎn)生塑性區(qū)，但巖體不會發(fā)生冒落，不能模擬冒落的整個過程。為了模擬礦巖的冒落過程，引入了人為的假定。在FLAC3D數(shù)值模型中，如果數(shù)值網(wǎng)格的單元位于拉底空間的上部塑性區(qū)中，且該單元中存在拉應(yīng)力，則認為該單元在重力的作用下可以冒落，利用FLAC3D的建模命令，該單元被殺死（“NULL”掉），被NULL掉單元的模型又處于非平衡狀態(tài)，再次進行迭代計算，計算平衡后如果塑性區(qū)內(nèi)依然有拉應(yīng)力單元，則重復(fù)該過程，直至模型中不再出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)、平衡為止，計算停止。以此來近似模擬礦巖冒落過程。在計算過程中很難做到塑性區(qū)內(nèi)完全不存在拉應(yīng)力，所以在塑性區(qū)內(nèi)基本無拉應(yīng)力即可將計算停止。具體計算步驟如圖1。

1.2 礦巖冒落本構(gòu)關(guān)系

研究表明，利用自然崩落法開采礦石時，礦巖冒落以拉伸破壞為主，因此采用拉伸準則描述冒落礦巖。實際上，利用自然崩落法開采礦巖體質(zhì)量均稍差，在冒落過程中采場邊幫圍巖也會發(fā)生剪切破壞，但由于堆積在采場內(nèi)的冒落礦巖散體支撐作用，往往導(dǎo)致剪切片幫破壞并不明顯。但采用FLAC3D模擬時并不能考慮該作用，因此選用基于摩爾—庫倫準則的理想彈塑性模型描述采場圍巖，圍巖可以發(fā)生屈服，但并不降低承載力［7］。在兩個準則中，拉伸準則優(yōu)先。

實際上，到目前為止，還沒有一種數(shù)值模擬方法，可以完整地模擬礦巖冒落、堆積、并對采場邊幫起到支撐作用的全過程。本研究利用FLAC3D模擬礦巖冒落也是在一些假定條件下實現(xiàn)的。

（1）拉伸破壞準則

式中，σ3、σt分別為巖體受到的拉應(yīng)力與巖體的單軸抗拉強度。

（2）摩爾—庫倫破壞準則

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs＞0時，材料將發(fā)生剪切破壞。

1.3 數(shù)值計算模型與參數(shù)

由冒落拱理論可知，礦體埋藏深度、側(cè)應(yīng)力以及冒落拱跨度等因素是影響礦巖冒落高度的重要因素。基于上述FLAC3D的數(shù)值模擬方法和礦巖本構(gòu)關(guān)系，對不同埋藏深度、不同側(cè)壓力系數(shù)、拉底形態(tài)及采場尺寸參數(shù)條件下的礦巖冒落規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。各種工況條件的數(shù)值計算模型略有不同，現(xiàn)以礦體埋藏深度對礦巖冒落的影響為例，簡要介紹其數(shù)值計算模型以及礦、巖參數(shù)。建立三維數(shù)值模型如圖2所示，數(shù)值模型長300 m，寬150 m，高350 m。模型共分3個部分，分組1為圍巖部分、分組2為礦體部分，分組3為拉底部分。礦體部分長100 m，寬50 m，高100 m。礦體部分的底部距離模型底部50 m，保證其不受邊界效應(yīng)的影響。巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

2 數(shù)值模擬方案及邊界條件設(shè)計

數(shù)值模擬分析了礦體不同埋藏深度、不同側(cè)壓力系數(shù)、拉底形態(tài)及采場尺寸參數(shù)4種工況條件下礦巖冒落規(guī)律。各工況條件下的模擬方案、邊界條件和拉底尺寸等如表2。

數(shù)值計算過程中礦巖冒落達到穩(wěn)定狀態(tài)判定：以礦體埋深700 m計算分析為例，如圖3所示，過拉底區(qū)域中心點，沿礦體長度方向的截面，可以看出，在將塑性區(qū)開挖3次之后形成的冒落拱，拱線的上方基本無拉應(yīng)力，可以判定冒落拱達到穩(wěn)定狀態(tài)。其他工況條件下礦巖冒落是否達到穩(wěn)定狀態(tài)判定完全相同。

3 礦巖冒落規(guī)律分析

3.1 礦體埋藏深度對采場礦巖冒落的影響

各埋藏深度礦體拉底后礦體冒落部分如圖4所示，其中下部區(qū)域為拉底部分，上部區(qū)域為塑性區(qū)部分。

圖5為礦巖冒落高度和冒落體積隨礦體埋藏深度變化曲線?？芍?，礦巖的冒落高度和冒落體積隨著埋藏深度的增加而減小，但減小幅度均較小。因此，在實際生產(chǎn)中，對于厚大破碎礦體，小埋深反而有利于礦巖的冒落；礦體埋深較大時，可通過割幫等誘導(dǎo)工程使礦體水平應(yīng)力減小，促進冒落拱的發(fā)育。同時礦體埋深較大時應(yīng)注意冒落過程的片幫現(xiàn)象，制定合理的拉底范圍，以免礦體開采過程中上下盤圍巖的片幫，造成礦石貧化率增加。

3.2 側(cè)壓力系數(shù)對采場礦巖冒落的影響

不同側(cè)壓力系數(shù)下的礦體冒落部分如圖6所示，圖中下部為拉底區(qū)域，上部為冒落部分。發(fā)現(xiàn)側(cè)壓力系數(shù)為0.4時冒落拱發(fā)育最好，礦體冒落高度與冒落體積在5個方案中最大。

礦體的冒落高度和冒落體積隨側(cè)壓力系數(shù)變化如圖7所示，礦巖的冒落高度和冒落體積的變化趨勢基本一致。當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)從0.4增加到1時，礦體的冒落高度僅減小了15.7%，但是礦體的冒落體積卻減少了43%，表現(xiàn)出在這一過程中冒落拱的發(fā)育變差。側(cè)壓力系數(shù)超過1后，冒落高度保持穩(wěn)定，冒落體積出現(xiàn)緩慢增長。

在實際生產(chǎn)中，如果礦體的側(cè)應(yīng)力較大，拉底完成后片幫問題會較為嚴重，應(yīng)合理規(guī)劃拉底的范圍。因此，若使上賦礦巖冒落得更加充分，可以通過切幫等輔助工序來盡可能降低礦塊的側(cè)應(yīng)力，從而達到使冒落高度和冒落體積增加的目的。

3.3 拉底長寬比對采場礦巖冒落的影響

圖8為不同拉底長寬比條件下礦體冒落部分，下部為拉底區(qū)域，上部為上部塑性區(qū)。由塑性區(qū)分布圖可知，拉底形狀不同，各冒落拱的形狀差異較大，冒落高度隨著拉底長寬比的增大而逐漸減小。

圖9為礦體冒落高度和冒落體積隨拉底長寬比變化曲線，礦體的冒落高度和冒落體積隨拉底長寬比增大均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。拉底形狀為正方形時（長寬比為1），冒落高度和冒落體積達到最大，然而，在拉底長寬比為2時，冒落體積有小幅度的增加。因此，在拉底設(shè)計時應(yīng)考慮拉底形狀為正方形（長寬比為1），在地質(zhì)條件或開采條件的約束下，拉底的長寬比最好不大于2。

3.4 采場尺寸參數(shù)對礦巖冒落的影響

如圖10所示，隨著拉底跨度的增加，采場冒落高度在前期增長較快，拉底的跨度接近拉底寬度時，冒落高度的增長趨勢開始減緩，隨著拉底跨度的持續(xù)增加，礦體的冒落高度保持穩(wěn)定。拉底跨度較小時，不同寬度的礦體冒落高度較為接近，隨著拉底跨度的增加，30 m寬度礦體的冒落高度增長速度首先降低下來，50 m和70 m寬度的礦體的冒落高度增長速率在拉底跨度不斷增加的過程中也相繼降低，最后都趨于穩(wěn)定。圖11為不同礦體寬度的礦巖冒落高度與采場拉底跨度比值（高跨比）隨拉底跨度變化曲線，從圖中可以看出，拉底跨度相同時，高跨比隨礦體寬度的增加而增加。相同寬度的采場，高跨比隨拉底跨度的增加而減小。

4 結(jié) 論

以FLAC3D數(shù)值模擬軟件為工具，研究礦體在不同地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的冒落規(guī)律，利用所得到的冒落規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）礦體在不同地質(zhì)賦存條件下呈現(xiàn)不同的冒落規(guī)律。拉底條件相同，埋藏深度增加礦巖冒落高度，冒落體積略有減小，但總體變化不大；冒落高度隨側(cè)壓力系數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后趨于平衡，冒落體積先減小后略有增加，側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1時，冒落高度和冒落體積最小。

（2）拉底面積相同，拉底長寬比越大，礦體冒落高度和冒落體積越小。因此在設(shè)計拉底形狀時，礦體拉底的長寬比應(yīng)最好小于2，保證拉底后有足夠的冒落高度和冒落體積，以減小冒落輔助工程的工作量。

（3）采場尺寸確定后，冒落高度隨拉底長度的增加而增大，增長速度隨拉底長度的增加而逐漸減小，最后冒落高度趨于平衡。如果是厚大礦體，礦塊尺寸設(shè)計時適當(dāng)增大礦塊的寬度以增加冒落高度和冒落體積。