梁源贵 LIANG Yuan-gui
（云南黄金矿业集团股份有限公司，昆明 650000）
（Yunnan Gold Mining Industry Group，Kunming 650000，China）
摘要：为了研究矿山采场开采后围岩稳定性及对上覆公路的影响，采用离散元软件2D-block，模拟5种工况，对模拟结果的应力、位移、速度云图进行了分析；结果表明：采场开采至920m、935m水平时，顶底板应力、位移、速度变化很小，不影响矿区公路安全；当开采至950m水平时，顶底板应力、位移、速度有了明显变化，但对公路仍不构成大的威胁，安全起见，此时应适当减小采场结构参数；开采至近地表时，地表垮塌，影响到公路安全。因此，建议开采范围控制在950m水平以下，并采取监测等手段以切实维护采场及上覆公路的安全。
Abstract： In order to study the rock stability and impact on Mine Area Road after stope mining，by means of discrete element software 2D-block，5 kinds of simulation conditions were done. The simulation results of the stress， displacement， velocity contours were analyzed，The results showed that mining field to 920m， 935m level，the changes of the stress， the displacement and the speed of the top floor were very small，the road was safe；When the 950m level was mined，the stress， displacement and speed of the top floor were obviously changed，but the road was still safe，at this point， the stope structure parameters should be reduced；When mining to near surface，the surface collapse，which affect the safety of road；Mining should be below the level of 950m and take appropriate security measures.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：围岩稳定性；矿区公路；离散元法；采场结构参数
Key words： stability of surrounding rock；mine area road；discrete element method；stope structure parameters
中图分类号：X751 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0140-03
作者简介：梁源贵（1973-），男，贵州天柱人，苗族，云南黄金矿矿业集团有限公司生产技术管理部采矿主任，工程师，主要从事生产技术管理。
0 引言
对地下开采为主的矿山而言，采场稳定性不仅关系到矿山的正常安全生产与经济效益，若矿体上方地表有一些重要的建（构）筑物，还必须考虑对该建（构）筑物安全使用的影响。云南金沙磷矿灯杆树矿段磷矿层为单斜构造，矿体厚3~4m，倾角在20~40°之间，矿体顶底板均为中厚层状白云岩，致密坚硬，力学强度较高，围岩稳定性较好，工程地质特征差异不大。矿区地形高差大，无大的地表水体，巷道内较干燥，水对开采影响不大。虽然矿体部分出露地表，但由于矿体与地表地形呈反倾赋存状态，且沿倾向向深部延伸400多米，因此不具备露天开采条件，经过多方案对比论证，矿山决定采用房柱法对该磷矿体进行地下开采。考虑到地表正好有一条矿区公路通过矿体上方，为了分析矿体开采后采场围岩稳定性及对上覆公路安全使用的影响，有必要对该矿体在不同开采阶段的采场围岩稳定性进行分析研究[1-2]。
矿山大多数采用现场监测手段对围岩稳定性进行监测，而随着计算机技术的发展，数值模拟技术已成为一种新的研究矿山稳定性的手段[3]。宋力[4]等运用REPFPA软件建立了矩形和拱形两种巷道围岩模型，分析了冲击荷载作用下顶板位移的响应规律；范君黎[5]等用ABAQUS研究了隧道高宽比K对围岩稳定性的影响，指出无裂纹隧道模型中，试件抗压强度在K=1.5时最大，K=1.0时最小，对有裂纹隧道模型，试件抗压强度在K=1.7时最大，K=0.7时最小；张耀平[6]等采用FLAC3D对龙桥铁矿空区形成过程及采空区稳定性进行了模拟和预测；陈浩[7]等采用模型试验与数值模拟相结合的方法，对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究，结果表明，二者反映的破坏演化过程是基本吻合的；谢生荣[8]等用UDEC模拟分析了综放工作面过空巷时采动影响下围岩应力分布、变形与破坏特征，确定综合控制技术实施的时空节点与相关参数。
离散单元法（Discrete Element Method，DEM）最早由Cundall在1971年提出，经过40多年的快速发展，离散单元法已经和有限单元法、边界单元法成为当今解决各种复杂岩土工程问题的主要方法[9]，在岩土领域出现一批成熟的离散元的商业软件，如3DEC、UDEC、2D-block等，本文通过离散元软件2D-block研究云南金沙磷矿矿体回采后采场围岩稳定性及对矿区公路的影响。
1 计算模型及实施方案
1.1 计算模型
采场围岩体的力学参数如表1所示。采场结构参数为：采用空场法采矿，采场沿矿体走向连续布置，采场长度50～60m，宽度为45～50m，高度为矿体垂直厚度，在各中段之间留6m顶底柱，不留点柱，本次所采用的计算模型，采用距矿区公路最近的矿段建立，所建模型如图1所示，模型采用与矿岩体倾向、倾角一致的结构单元，单元大小为：远离矿体的间接顶底板采用5m×5m的结构单元，矿体、直接顶底板采用2m×2m的结构单元，计算模型单元划分为18296个。该模型采用位移边界约束，即模型的底部和左右两边，采用位移固定约束，模型顶部不加约束，模型内部形成采空区后不施加任何约束，允许围岩依照自身的力学机制发生一定的位移或破坏，以此来模拟该条件下不同回采高度对围岩及矿区公路的影响。计算模拟中所采用的计算参数见表1所示。
1.2 计算方案
计算考虑分布开挖，即第一步为初始模型，不考虑开挖；第二步将矿体开挖至920水平；第三步开挖矿体至935水平；第四步开挖矿体至950水平；第五步将矿体开挖至近地表层，模拟矿体开挖至不同标高上盘围岩的冒落范围及对公路的影响。
2 计算结果分析
首先不进行任何开挖活动，把外部荷载及边界约束施加到所研究的区域中，形成初始应力场。位移从模型的顶部向下以次减小，顶端位移最大。这主要是由于块体单元在自重应力及上部所施加外部荷载作用下的压实作用所造成的块体单元的位移主要是弹性形变，模拟结果及各跟踪块体位移见图2。
在形成初始应力场的基础上将矿体开采至920m水平，从模拟结果图3可以看出，将矿体开采至920m后，矿体上盘围岩出现垮塌及离层现象，从剖面局部放大图中可以看出，在仅留顶底柱，采场内完全空场的条件下，经计算上盘围岩最大垮塌高度约为18m左右，但上部矿区公路岩层没有出现离层及垮塌的情况，说明在空场条件下将矿体开采至920m水平后，上盘围岩会出现冒落，但不会影响到矿区公路的稳定。
将矿体开采至935m水平，从模拟结果图4的应力、位移及速度分布图都可以看出，矿体开采至935m水平后，上盘围岩出现垮塌及离层的范围没有明显增加，矿体从920m水平开采至935m水平，由于跨度相对较小，所以直接顶板没有出现明显的垮塌及离层，从剖面局部放大图中也可以看出，矿区公路没有受到影响。
将矿体开采至950m水平，从模拟结果图5的应力、位移及分布图可以看出，矿体开采至950m水平后，上盘围岩出现垮塌及离层的范围随着开采范围的加大而明显增加，直接顶板出现明显的垮塌及离层，但从局部放大图中可以看出，矿区公路仍没有受到影响。
将矿体开采至近地表，从模拟结果图6的应力、位移分布图可以看出，将矿体采通至地表后，顶板围岩出现较大范围垮塌，从剖面局部放大图中可以看到，上盘围岩出现垮塌的范围已超过矿区公路的位置，矿体开采会对矿区公路造成破坏，所以建议在开采过程中不要将矿体开采至近地表层，应预留一部分矿体作为隔离带保护矿区公路的安全。
3 结论
通过计算分析，可以得出以下结论：
①矿体开采至920m水平时，在仅留顶底柱，不留点柱的前提下，矿体上盘围岩最大垮塌高度约为18m左右，且方向与矿体倾角基本一致，矿体开采不会影响到矿区公路。
②当矿体继续开采至950m水平时，如果适当减小采场跨度或者在采场内预留点柱，矿体开采不会影响到矿区公路。
③矿体开采至近地表时，顶板围岩出现较大范围垮塌，且垮塌的范围已超过矿区公路的位置，所以建议将开采范围控制在950m水平以下，即预留一部分矿体作为隔离带保护矿区公路的安全，且在开采920以上矿体时，适当减小采场跨度。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]HE Manchao. Present situation and prospect of rock mechanics in deep mining engineering[C]. The 8th national conference of rock mechanics and engineering Beijing： science press， 2004，10：88-95 （in Chinese）.
[2]侯克鹏.矿山地压控制理论与实践[M].云南：云南科技出版社，2004.
[3]王泳嘉，宋文洲，赵艳娟. 离散单元法软件系统2D-Block的现代化特点[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19（增）：1057-1060.
[4] 宋力，谷鳞，魏赛平. 基于REPFPA的围岩稳定性数值模拟[J]. 应用力学学报，2014，31（6）：970-973.
[5]范君黎，朱哲明，胡天立等，高宽比对隧道围岩稳定性的影响[J].四川大学学报(工程科学版)，2015，47（增）：76-83.
[6]张耀平，曹平，袁海平等.复杂采空区稳定性数值模拟分析[J]. 采矿与安全工程学报，2010，27（2）：233-238.
[7]陈浩，任伟中，李丹，等.深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究[J].岩土力学，2011，32（增）：615-620.
[8]谢生荣，李世俊，魏臻等，综放工作面过空巷时支架-围岩稳定性控制[J]，煤炭学报，2015，40（3）：505-508.
[9]尚月全，黄润秋.工程地质研究中的数值模拟方法[M].成都科技大学出版社，1991：207-231.