基于FLAC3D的銅坑礦采場結構參數優化

韋敏康,周祥云

(廣西華錫集團銅坑礦, 廣西南丹縣 547207)

基于FLAC3D的銅坑礦采場結構參數優化

韋敏康,周祥云

(廣西華錫集團銅坑礦, 廣西南丹縣 547207)

以銅坑礦92#礦體的T106試驗采場為例,運用FLAC3D實現了采場結構參數的優化模擬,獲得了不同參數的力學響應規律。研究結果表明,為獲得優化的采場結構力學響應,采場最優結構參數范圍應該控制在頂板厚度為8.0～10.0m,采場跨度為12.0～14.0m。并綜合考慮增加采場跨度和減小頂板厚度的覆蓋巖層下放礦損失貧化的控制技術,確定了最優的采場結構參數為:采場跨度14.0m,頂板厚度8.0m。

FLAC3D;采場結構;參數優化;頂板厚度;采場跨度

0 前 言

銅坑礦是廣西華錫集團的重要礦產生產基地,年生產能力達到200萬t,屬特大型的地下有色金屬礦山。其主要賦存有細脈帶、91#和92#礦體,目前主要的生產礦體為92#礦體,屬于厚大緩傾斜礦體。為實現高效安全的資源開發,提出了誘導頂板崩落的連續采礦方法[1]以及組合崩落采礦法等新的采礦方法。目前,為適應礦山的生產需求,在結合組合崩落法和頂板誘導崩落連續采礦法的基礎上,運用空場嗣后崩落頂板的采礦方法以實現資源的安全高效開采。

采場的結構參數是礦山安全高效開采的主要技術參數,其主要通過物理模擬、數值分析[2]等方法進行優化。數值仿真模擬軟件FLAC3D已經在采礦工程、巖土工程、水利工程、交通工程、石油工程、環境工程等行業得到了廣泛的應用,工程實際運用表明其適用性較強,特別適用于分析漸進式破壞、失穩以及模擬大變形等情況[3]。

1 模型的建立

92#礦體產于最下部榴江組(D3l)硅質巖中,由大量NE向微細脈、網脈和順層礦化條帶組成,不同產狀的礦脈相互切割,總體呈近EW向展布,傾角為15°～25°,長1130m,向下延深700m,平均厚度26m。以銅坑礦T106單元試驗采場405水平以下

1#采區為研究對象,運用FLAC3D從力學響應和安全控制的角度實現采場結構參數的優化。

1.1 FLAC3D模型與參數

參照相關文獻[3],數值模擬計算范圍為:沿試驗采場405水平以下1#采區x方向(長軸方向)礦房長度的兩側延伸至144m長;采場y軸方向(跨度方向)即采場左、右邊界,向兩側延伸至36m寬;采場z軸方向(豎直方向上)以試驗采場405水平以下1#采區礦房的3倍取108m高,垂直范圍為305～413m,模型模擬范圍為144m×36m×108 m(長×寬×高),模型見圖1。銅坑礦92#礦體的數值模擬計算巖體力學具體選取參數見表1。

圖1 數值模擬模型

表1 巖體力學參數

1.2 邊界和初始條件

根據長沙礦山研究院于1985年在銅坑礦405 m水平的3個原巖應力實測結果:水平方向應力σ1=25.40MPa和σ2=17.10MPa;豎直方向應力σ3=7.30MPa。計算得邊界初始地應力條件為:

式中,σ1和σ2分別為2個水平方向的應力;σ3為豎直方向上的應力;γ為巖體的容重;H為測點至地表的距離。并受到405m水平以下,水平原巖應力將以較緩慢的形式增加,即側壓系數λ也逐漸減小。因此,本文假設不同水平的應力分布情況可以根據經驗采用等差分布[3],見表2。

表2 初始地應力與水平關系

模型邊界條件(見圖1)為上部為應力邊界,底部為固定約束,兩側施加水平位移約束[3]。對于模型的上部邊界簡化為均勻荷載Q,如式2[4]:

式中:g——重力加速度值,N/kg;

γ——覆蓋巖層的容重值,kg/m3;

H——模型頂部的深度值,m。

2 采場結構參數優化

2.1 試驗方案設計

根據試驗采場的地形、地質分布情況以及銅坑礦開采相類似采場的經驗,在優化結構參數判定時,分別對采空區頂板、切頂硐室周圍及間柱的最大主應力、最小主應力,z方向位移及塑性區分布進行具體分析,綜合安全率以得出最優的采場結構參數。為簡化優化計算的工作量,假定采場的長度一定(48.0m)和采場的高度一定,通過選取不同的采場跨度及頂板的厚度來實現三維數值模擬,分析不同采場跨度及頂板厚度對頂板、放頂硐室周圍及間柱穩定性的影響來確定最優的采場跨度及頂板安全厚度。設計模擬方案共12種,見表3。

2.2 方案比較

試驗采場中的頂板、放頂硐室周圍及間柱等關鍵位置是研究地壓變化規律的重點部分,各方案下這些位置的最大主應力、最小主應力、z方向位移及位移矢量分布、塑性區分布、安全率以及是否出現拉應力等情況見表4～表6。

表3 不同跨度和頂板厚度參數值

定義安全率A[5]:

式中,A為安全率;σ1為最大主應力,MPa;σ3為最小主應力,MPa;c為粘聚力,MPa;φ為內摩擦角,°。從理論上說,安全率A越大,巖體的穩定性狀態就越好。安全率A＞1,單元穩定;安全率A＜1,則單元破壞;安全率A=1,則單元處于極限破壞狀態。根據以往的經驗總結,地下工程的安全系數取值為1.1～1.3,綜合考慮單元的安全儲備系數,安全率取值的范圍最小值不小于1,最大值不小于1.1。

表4 不同跨度下采場開采應力響應的頂板響應分析

表5 不同跨度下采場開采切頂硐周響應分析

表6 不同跨度下采場開采間柱響應分析

由表4可知,隨著頂板厚度的增加,最大主應力、最小主應力的值相應減小,最大位移矢量值也相應減小;在塑性區范圍方面,當頂板厚度為6.0m時,頂板全部產生了塑性區,且隨著頂板厚度的增大,塑性區范圍隨著減小;安全率方面,其值均大于1,頂板為10.0m和12.0m厚度時安全率值相等,因此可以認為,頂板厚度大于10.0m后,厚度值對安全率的影響并不大。而隨著跨度的增加,應力環境進一步得到惡化,總體上應力值增加,但在頂板上的最大位移相對減少,這主要是由于受到水平地應力的作用,頂板產生向上的擠壓效應而形成的。而在安全率方面,跨度的增加相應地減少了安全率值,趨向于不安全的方向發展。

對于切頂硐室,其安全直接關系到后續的頂板誘導崩落的安全作業,由表5可知,頂板厚度的增加,有效地改善了切頂硐室的應力環境。總體上,在切頂硐周最小主應力均出現了拉應力區,其值隨著頂板厚度的增加而減小,頂板厚度為6.0m時,放頂硐室周圍最大主應力也出現了拉應力區,這將對放頂硐室的穩定性造成一定的影響,形成拉應力的破壞區域;z方向位移及位移矢量方面,隨著頂板厚度的增大,位移值也相應減小;塑性區方面,頂板厚度為6.0m時,放頂硐室周圍全部出現塑性區;安全率方面,除了頂板厚度為6.0m時以外,其余安全率均大于1,頂板厚度為8.0m和10.0m時安全率則相差不大。伴隨著跨度的增加,切頂硐周的應力值進一步增加,安全率降低。

起支撐作用的間柱,受到采動應力的作用,并在臨空面的作用下,產生了大量的拉應力區。分析表6可知,隨著頂板厚度的增大,最小主應力隨之減小,間柱靠近采空區附近出現了拉應力區,頂板厚度為6.0m時出現的拉應力最大,其值達到了2 MPa,其余頂板厚度時,拉應力的值相差不大,為0.78～0.79,且與極限拉應力值(2.4MPa)相差較大;z方向位移及位移矢量方面,隨著頂板厚度的加大,位移值隨之減小;塑性區方面,除了頂板厚度為6.0m時全部產生塑性區之外,其余的塑性區范圍,隨著頂板厚度的增加而減小;安全率方面,頂板厚度為6.0m時安全率小于1,頂板厚度為其余3個值時,安全率有部分小于1,這主要是采空區周圍存在小部分拉應力區的緣故,但對間柱的整體穩定性影響較小。在跨度方面,隨著跨度的增加,應力值隨之增加,且安全率降低。

2.3 結果分析與參數選擇

經過對比分析和經驗類比,為獲得較好的采礦經濟效益,采場結構參數取值向最大化發展。從頂板的厚度分析發現,頂板厚度為6.0～8.0m時,主要出現了大量的塑性區,這對采場的生產產生較大的影響,特別是頂板厚度為6m時,塑性區的分布范圍基本覆蓋了整個支撐作用的區域。而跨度達到16.0m時,由于跨度的增大,導致間柱出現了較大區域的塑性區,且大部分間柱的安全率值均小于0.9,從這兩方面綜合考慮,可以認為跨度為16.0m時采場是不穩定的。對于12.0m跨度及14.0m跨度的采場結構參數,其穩定性評價值均符合一定的范圍,即使是有一小部分值超出這個界限,但是其影響范圍很小,在分析時可以忽略。綜合數值模擬結果分析可以發現,跨度為14m時,計算結果變化規律性不明顯,并且呈現出應力環境惡化的趨勢,因此,選取跨度為12.0m,頂板厚度的范圍確定為10.0～12.0m。

從采礦工藝和覆蓋巖層下的出礦低貧化損失控制措施分析可知,在一定的跨度結構空間下,頂板的厚度將決定礦石的覆蓋巖層厚度,因此,減少頂板厚度可以有效控制礦石的貧化損失和降低生產成本,選擇頂板的厚度為10.0m。

3 結 論

(1)數值模擬顯示,在可變的頂板厚度和跨度的條件下,采場結構參數的變化可以影響間柱、切頂硐室和頂板的應力變化和安全率,并與頂板的厚度呈正相關性,與跨度呈負相關性。

(2)通過數值分析和低貧損控制措施的分析,確定合理的最優采場結構參數推薦值為:頂板厚度10.0m,采場跨度12.0m。

[1]HUJianhua,LEITao,ZHOUKeping,LUOXianwei,ANG Niange.MechanicalResponseofRoofrockmassUnloading duringtheContinuousMiningProcessinUndergroundMine[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2011,21(12):2727-2733.

[2]胡建華,雷 濤,周科平,等.基于采礦環境再造的開采順序時變優化研究[J].巖土力學,2011,32(8):2517-2522.

[3]劉培慧.基于應力邊界法厚大礦體采場結構參數數值模擬優化研究[D].長沙:中南大學,2009.

[4]謝文兵,陳曉祥,鄭百生.采礦工程問題數值模擬研究分析[M].徐州:中國礦業大學出版社,2005.

[5]尚振華,徐必根,唐紹輝.大體積充填體間礦體開采的采場結構參數優化[J].礦業研究與開發,2012,32(2):8-11,57.

[6]鄭 磊,高玉寶.多空區條件下崩落放頂過程的地壓顯現與礦柱穩定性研究[J].有色金屬(礦山部分),2010,62(4):11-14.

2012-05-09)

韋敏康(1974-),男,廣西大化人,工程師,主要從事礦山安全生產管理工作,Email:weimkdh@163.com。