凡口礦分層回采采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

彭洪珍,劉曉明

(1.蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長沙 410083)

凡口礦分層回采采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

彭洪珍1,劉曉明2

(1.蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長沙 410083)

綜合運用繪圖軟件 CAD和有限元數(shù)值模擬軟件 Phase2,結(jié)合凡口礦 N2采場實際,研究形成了一種采場上向分層回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法。根據(jù) N2采場空間位置確定了數(shù)值模型范圍,建立了復(fù)雜的采場分層回采前處理模型,將模型導(dǎo)入到 Phase2中,經(jīng)屬性賦值、網(wǎng)格劃分及定義邊界條件后,形成數(shù)值計算模型,按采場實際回采次序分 13步進(jìn)行了采場回采模擬,揭示了N2采場分層回采過程中應(yīng)力、位移的變化趨勢,研究結(jié)果為礦山優(yōu)化類似采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和地壓控制提供了可靠的理論依據(jù)。

上向水平分層充填采礦法;有限元;采場穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

凡口礦是我國超大型鉛鋅礦床之一,目前開拓深度達(dá) 900 m,已進(jìn)入深部開采[1]。根據(jù)礦體賦存狀態(tài)及開采技術(shù)條件,礦山主要采用上向水平分層充填法開采,對厚大礦體 (30～50 m),一般按垂直礦體走向布置采場,即采場長度為礦體厚度,采場寬度為 8～10 m。上向分層回采中,隨著采場的分步回采,并以膠結(jié)或非膠結(jié)充填體及時充填空區(qū),采場的幾何形狀和介質(zhì)不斷發(fā)生變化,致使采場周圍應(yīng)力場和位移場也不斷變化,因此,研究分層回采采場穩(wěn)定性,對于指導(dǎo)采場安全回采具有重要的現(xiàn)實意義[2～6]。

Phase2是一個有限元軟件,該軟件在網(wǎng)格劃分、后處理等方面具有獨特優(yōu)勢,尤其適合采場開挖過程模擬[7～9]。本文采用 Phase2數(shù)值模擬軟件,針對凡口礦N2采場實際情況,分別模擬采場在分層回采過程中的采場應(yīng)力、位移變化情況,為礦山優(yōu)化類似采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和地壓控制提供可靠的理論依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 采場概況

凡口礦獅嶺 N2采場為礦房采場,設(shè)計回采高度為 80 m,跨 2個中段,標(biāo)高從 -320 m到 -240 m,單次分層回采高度為 3.5 m,采一層充一層,充填時膠面高為 1 m。采場底柱高為 8 m,鋪底高為 6 m,鋪底高度分兩次開挖,每次 3 m,采場目前已經(jīng)完成拉底,并回采至 -292 m水平。

1.2 模型范圍確定

在研究采場爆破設(shè)計剖面和采場在各中段水平平面位置的基礎(chǔ)上,綜合考慮數(shù)值模擬中對數(shù)值計算模型范圍大小的要求,確定采場的數(shù)值模型范圍見表1。

表1 分析計算模型坐標(biāo)范圍

1.3 數(shù)值計算前處理模型構(gòu)建

盡管 Phase2自帶有建模功能,但對含有復(fù)雜回采、充填邊界的模型,難度極大。因此,充分運用Phase2能導(dǎo)入 dxf文件的功能,根據(jù)凡口礦采場回采剖面圖建立數(shù)值計算前處理模型,步驟如下:

(1)N2采場為礦房采場,根據(jù)礦房采場回采和充填具體要求,建立采場分層回采及充填模型;

(2)根據(jù)計算模型范圍,建立 N2采場之外的其他采場或未回采礦體模型;

(3)建立數(shù)值計算模型外邊界;

(4)根據(jù) Phase2對導(dǎo)入 dxf文件中線圖層的要求,分別將開挖邊界、材料邊界和計算模型外邊界置于不同的圖層中[8];

(5)將文件保存為 dxf格式文件,再導(dǎo)入 Phase2中,完成N2采場分層回采數(shù)值計算前處理模型的構(gòu)建,結(jié)果見圖1。

2 數(shù)值計算模型構(gòu)建

2.1 力學(xué)參數(shù)

圖1 N2采場分層回采數(shù)值計算前處理模型

根據(jù)凡口礦 N2采場地質(zhì)特征和工程特點,力學(xué)介質(zhì)有充填體 (膠結(jié)、膠面和鋪底 3種)、圍巖和礦體等 5種。礦巖力學(xué)參數(shù)是在室內(nèi)試驗獲取的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征及分級指標(biāo),經(jīng)工程處理后綜合選取的[9],最后獲得本次模擬計算所需的巖體力學(xué)參數(shù),見表2。

表2 凡口礦 N2采場巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計算模型

在所建 N2采場分層回采數(shù)值計算前處理模型的基礎(chǔ)上,選用三角形對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對模型四周邊界施加 X、Y全約束,選擇莫爾 -庫侖破壞準(zhǔn)則[10],材料屬性按表2進(jìn)行賦值,建立的數(shù)值計算模型見圖2。根據(jù)采場回采方式分 13步進(jìn)行模擬,分別模擬采場 12個分層的回采與充填。

圖2 N2采場分層回采數(shù)值計算模型

3 結(jié)果分析與討論

3.1 應(yīng)力變化特征分析

考慮到 N2采場分層數(shù)目較多,因此,選取幾個典型分層回采模擬結(jié)果進(jìn)行顯示,采場分布開挖最大主應(yīng)力變化趨勢見圖3,采場分布開挖最小主應(yīng)力變化趨勢見圖4。

圖3 采場分布開挖最大主應(yīng)力變化趨勢

第 1步:該步模擬開挖 3.5 m后采場周圍的應(yīng)力變化情況。最大主應(yīng)力集中在采場頂板的端角處 ,σ1為 40MPa左右 ,最大值 42MPa,頂板的σ1值范圍為 14～25MPa,底板σ1值范圍為 0～4MPa,沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力;最小主應(yīng)力多集中在采場兩幫的端角處,大小為 12 MPa左右,最大值 14 MPa,頂板的σ3值范圍為 0～13 MPa,底板σ1值范圍為 -0.6～2.66 MPa,膠面充填體上出現(xiàn)有拉應(yīng)力。

圖4 采場分布開挖最小主應(yīng)力變化趨勢

第 2步至第 11步:每次回采高度均為 3.5 m,分層回采后,兩個主應(yīng)力變化趨勢相似,每次回采后采場及時進(jìn)行了充填,使得采場底板處的最大主應(yīng)力基本穩(wěn)定在 0～1 MPa,最大主應(yīng)力多集中在采場頂板的端角處。隨著開挖高度的增加,σ1也隨著增加,直到回采上中段底柱時出現(xiàn)最大值 60 MPa;最小主應(yīng)力多集中在采場頂板的端角處,最大值為 16 MPa,頂?shù)装宓摩?值范圍為 -0.6～5 MPa,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大值為 0.6 MPa,小于礦體或膠面充填體的抗拉強度,采場保持穩(wěn)定。

第 12步:該步模擬回采上中段的底柱。由于底柱以上均為充填體,最大主應(yīng)力集中在采場頂板的端角處,σ1為 15 MPa左右,最大值為 22 MPa,頂板的σ1值范圍為 0～2 MPa,底板σ1值范圍為 0～3 MPa,沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力;最小主應(yīng)力多集中在采場兩幫的端角處,σ3為 4 MPa左右,頂?shù)装宓摩?值范圍為 -0.29～3MPa,局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于底柱回采時沒有接頂,底板出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大值為 1.95 MPa,大于充填體的抗拉強度,充填體發(fā)生冒落,并可能充滿充填未接頂留下的間隙。

第 13步:該步模擬整個采場回采充填完成。該步完成后應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到了緩解,對回采周圍采場起到了重要的作用。在現(xiàn)有的充填條件下,很難做到完全接頂,通常留有 0.5～0.6 m的間隙,隨著頂板位移增加,應(yīng)力發(fā)生變化,頂板將出現(xiàn)拉應(yīng)力,可能造成頂板冒落。

3.2 位移變化特征分析

N2采場回采從下往上依次進(jìn)行,隨著回采水平逐步上升,采場周圍的位移不斷發(fā)生變化,回采后的采場頂?shù)装?位移主要以垂直位移為主,采場側(cè)壁則以水平位移為主。圖5和圖6分別為采場部分分層回采引起的水平和垂直向位移分布變化圖。

圖5 采場分布開挖水平位移變化趨勢

圖6 采場分布開挖垂直位移變化趨勢

第 1步:兩幫以水平位移為主,由于開挖的高度只有 3 m,水平初始應(yīng)力為垂直重力的 1.1倍,產(chǎn)生了 0～2 mm的位移;頂?shù)装鍎t以垂直位移為主,其中頂板最大位移為 1 mm,底板最大位移為 2.2 mm。

第 2步至第 11步:分層回采過程中,底板垂直位移基本保持穩(wěn)定,最大值為 8 cm,位于采場底板中心;頂板垂直位移也基本穩(wěn)定,最大值為 4 mm,左邊的 N3采場由于充填沒有接頂,在回采到 11步時,也出現(xiàn)了 1～3 cm的垂直位移。采場側(cè)壁的水平位移則隨著回采的逐步向上,變化較大,呈遞增趨勢,至第 11步水平位移達(dá)到最大值 4 cm,主要在采場的左邊。

第 12步:由于底柱以上都是充填體,該步回采完成后頂板的位移突然劇增,最大值為 23 cm,底板位移還是保持在 8 cm左右,N3采場頂?shù)装宕怪蔽灰埔灿稍瓉淼?3 cm增加到 6 cm;水平位移最大值出現(xiàn)在頂板上的充填體內(nèi),最大值為 6 cm。

第 13步:該步為整個采場充填接頂,主要為控制采場頂板位移,模擬結(jié)果來看,頂?shù)装宓拇怪蔽灰朴兴陆?驗證了采場充填后的效果。

4 結(jié) 論

綜合運用 CAD繪圖工具和有限元數(shù)值模擬軟件 Phase2,結(jié)合凡口礦 N2采場實際,研究形成了一種采場分層回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬方法,獲得以下結(jié)論:

(1)利用 CAD建立數(shù)值分析前處理模型,再導(dǎo)入 Phase2形成數(shù)值計算模型,實現(xiàn)了復(fù)雜模型的構(gòu)建,節(jié)省了建模時間,提高了模型的準(zhǔn)確度。

(2)根據(jù) N2采場實際回采次序,分別模擬了該采場分層回采、充填過程中采場頂?shù)装濉?cè)壁充填體的應(yīng)力及位移變化情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明,在回采上中段底柱之前,最大、最小主應(yīng)力均在礦體、圍巖和充填允許范圍內(nèi),開采滿足安全要求;但在回采上中段底柱時,最小主應(yīng)力達(dá)到了 -1.95 MPa,大于充填體的抗拉強度,充填體發(fā)生垮塌,為預(yù)防事故發(fā)生,在回采底柱時應(yīng)該采取相應(yīng)的防治措施,比如底柱分層高度降低至 1.5 m,或分兩次爆破,每次寬4 m。

[1] 李建雄.凡口鉛鋅礦深部開拓工程建設(shè)與管理[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(S):53～55.

[2] 劉 強,許新啟,桑守勤.下向充填采礦法充填程度與采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬[J].有色金屬,2000,52(1):17～21.

[3] 王新民,盧央澤,張欽禮.煤矸石似膏體膠結(jié)充填采場數(shù)值模擬優(yōu)化研究 [J].地下空間與工程學(xué)報,2008,4(2):346～350.

[4] 李愛兵,周先明.安慶銅礦高階段回采充填體 -礦體 -巖體穩(wěn)定性的有限元分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2000,(1):19～21.

[5] 朱維申,李曉靜,郭彥雙,等.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,(10):1689～1693.

[6] 王興明,付玉華,張耀平.礦房與礦柱穩(wěn)定性的斷層影響數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山,2007,(12):13～17.

[7] Rocscience Corporation.Phase2User Manual(Version 6.0)[M].Canada:Rocscience Corporation,2006.

[8] 劉曉明.基于實測的采空區(qū)三維建模及其衍生技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].長沙:中南大學(xué),2007.

[9] 羅周全,劉曉明,吳亞斌,等.基于 Surpac和 Phase2耦合的采空區(qū)穩(wěn)定性模擬分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,27(4):485～488.

[10]韓志型,王 寧.急傾斜厚礦體無間柱上向水平分層充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究 [J].巖土力學(xué),2007,28(2):367～370.

2010-05-31)

彭洪珍 (1978-),男,江西宜春人,助理工程師,主要從事礦山開采設(shè)計與安全管理工作。