深井硬巖礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

許振華,喬 蘭

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083, 2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031；)

眾所周知，采礦方法是地下開(kāi)采的核心[1]。對(duì)于深井硬巖礦床的開(kāi)采而言，采礦方法和回采順序不僅要克服深井帶來(lái)的諸多不利影響，而且要簡(jiǎn)化生產(chǎn)組織，適應(yīng)大型無(wú)軌設(shè)備強(qiáng)化高效開(kāi)采的要求。但大設(shè)備就要求與之相適應(yīng)的大斷面，這無(wú)疑給采場(chǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，因此采場(chǎng)單元尺寸大小及其比例關(guān)系不僅是保證安全回采的必要條件，同時(shí)對(duì)分步驟回采的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果也具有重要影響。此外，影響采礦和地下工程穩(wěn)定性的因素很多，特別是各種影響因素的相互耦合，使得采場(chǎng)即使在相同的原巖應(yīng)力場(chǎng)及巖體強(qiáng)度參數(shù)條件下，不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，其圍巖及礦柱的應(yīng)力分布狀態(tài)、位移狀態(tài)也表現(xiàn)出不同的特性，這直接關(guān)系到采場(chǎng)自身的穩(wěn)定性。因此，如何在保證生產(chǎn)安全的前提下，合理選取采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)成為了是現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員和設(shè)計(jì)工程師普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 有限元數(shù)值模擬

1.1 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠程度在一定程度上取決于巖體宏觀力學(xué)參數(shù)選取的合理性，某銅礦巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究初步結(jié)果，并依據(jù)巖塊試樣的物理力學(xué)參數(shù)和巖體分級(jí)指標(biāo)RMR 值，按照Hoek-Brown 提出的節(jié)理巖體經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則對(duì)巖體宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程處理。經(jīng)過(guò)處理的巖體力學(xué)參數(shù)匯總于表1。

表1 經(jīng)工程處理的巖體力學(xué)參數(shù)匯總

1.2 力學(xué)模型的建立

本次計(jì)算采用日本軟腦株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析系統(tǒng)3D-σ。為了簡(jiǎn)化研究結(jié)構(gòu)巖體,本設(shè)計(jì)選取模型尺寸為300m×300m。地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，最不利開(kāi)采部位距地表的平均深度約800m。模型底部采用垂直方向約束，其余側(cè)面均采用水平方向約束。模型未開(kāi)挖前，共有單元76440個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為324153個(gè)，滿足一般數(shù)值分析的要求[2-4]。

2 采場(chǎng)跨度優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及分析

某銅礦擬采用階段大直徑深孔嗣后充填法開(kāi)采，即將礦體劃分為礦房和礦柱，第1步驟回采礦房，用膠結(jié)充填形成人工礦柱；第2步驟回采礦柱，用全尾砂充填。在回采順序上擯棄了傳統(tǒng)的“隔三采一”，采用更為靈活先進(jìn)的“隔一采一”二步回采順序。那么，當(dāng)回采一步采場(chǎng)時(shí)，由于礦房充填不及時(shí)，隨著礦房暴露面積的增大，采場(chǎng)內(nèi)圍巖頂、底板及礦柱所承受的應(yīng)力也逐漸增大。當(dāng)一步回采結(jié)束時(shí)，若其頂板仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，則可認(rèn)為在回采過(guò)程中采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]。因此，研究不同跨度下采場(chǎng)內(nèi)圍巖頂、底板及礦柱所承受的應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律具有重要意義。

作為方案優(yōu)化研究來(lái)說(shuō)，最主要的是選擇有關(guān)的特征量進(jìn)行比較。由于巖體材料對(duì)拉伸作用的抵抗能力極差，這里主要選取最大拉應(yīng)力作為方案比較的依據(jù)。其他部分指標(biāo)，如最大壓應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和位移值作為方案比較的輔助參量。本文對(duì)采場(chǎng)高度為80m的硬巖深井采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，分別進(jìn)行了采場(chǎng)跨度為15m、20m、25m、30m工況下的應(yīng)力傳播規(guī)律、變形機(jī)制及安全率進(jìn)行分析，分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 采場(chǎng)高度80m時(shí)五種不同采場(chǎng)跨度尺寸的有關(guān)計(jì)算結(jié)果

2.1 應(yīng)力分析

根據(jù)既定的總體回采順序，某銅礦井下采場(chǎng)直接頂板為石英閃長(zhǎng)玢巖，其極限抗拉強(qiáng)度為2.60MPa左右，以此值作為判別標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)線性插值，當(dāng)主應(yīng)力σ1最大拉應(yīng)力為2.6MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)跨度為25m左右；而當(dāng)正應(yīng)力(σy)的最大拉應(yīng)力為2.6MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)跨度介于25～30m之間。可見(jiàn)，二者對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)跨度值均為25m多，不到30m，但其拉應(yīng)力值基本都達(dá)到巖體極限抗拉強(qiáng)度的99%以上，甚至超出巖體極限抗拉強(qiáng)度。因此綜合考慮到現(xiàn)場(chǎng)巖體穩(wěn)定狀況的差異，建議將采場(chǎng)高度為80m時(shí)的采場(chǎng)跨度值定為20m。

同時(shí)，由圖1～8可知，主應(yīng)力σ1最大拉應(yīng)力隨著采場(chǎng)跨度的增大，呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系，且主要分布在采場(chǎng)兩幫的中部以及礦柱的腰部。但當(dāng)采場(chǎng)跨度增大至25m時(shí)，主應(yīng)力σ1最大拉應(yīng)力急劇下降，這是由于采場(chǎng)兩幫已超出巖體本身的塑性破壞區(qū)域，發(fā)生了應(yīng)力釋放，從而使得拉應(yīng)力減少。σy方向上最大拉應(yīng)力主要分布在采場(chǎng)頂板和底板上，在數(shù)值上隨著采場(chǎng)跨度增大而增加，但在15～25m之間有一個(gè)平緩的過(guò)渡，證明在此跨度范圍內(nèi)，應(yīng)力相對(duì)平衡，調(diào)整幅度較小，采場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，但一旦跨度達(dá)到30m，σy方向上最大拉應(yīng)力就急劇增大，這是巖體進(jìn)入了屈服區(qū)的典型特征；最大剪應(yīng)力均分布在采場(chǎng)的四個(gè)邊角，同時(shí)在數(shù)值上也表現(xiàn)出與σy方向上最大拉應(yīng)力相似的特征；σ3最大壓應(yīng)力主要集中在采場(chǎng)四個(gè)邊角，在數(shù)值上達(dá)到43.79MPa，為巖體極限抗壓強(qiáng)度的73.5%，因此，在生產(chǎn)中應(yīng)該盡可能避免這種直角造成的應(yīng)力集中，采用圓弧過(guò)渡。

圖1 σ1最大拉應(yīng)力-跨度曲線

圖2 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)σ1最大拉應(yīng)力云圖

圖3 σy最大拉應(yīng)力-跨度曲線

圖4 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)σy最大拉應(yīng)力云圖

圖5 最大剪應(yīng)力-跨度曲線

圖6 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)最大剪應(yīng)力云圖

圖7 σ3最大壓應(yīng)力-跨度曲線

圖8 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)σ1最大拉應(yīng)力云圖

2.2 位移分析

由圖9～10可知，采場(chǎng)開(kāi)挖后，位移均指向采空區(qū)，即頂板下沉，底板上移；隨著開(kāi)采區(qū)域的擴(kuò)大，位移值呈逐漸增大趨勢(shì)。

圖9 最大位移量-跨度曲線

圖10 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)位移云圖

2.3 安全率分析

采用安全率指標(biāo)S 定量表示巖體材料接近破壞的程度，S>1 表示位于屈服面內(nèi)部，S≤1表示位于屈服面上部或屈服面外部。因此，S 值愈小說(shuō)明破壞程度愈厲害。由圖11可知，當(dāng)采場(chǎng)跨度達(dá)到20m時(shí)，采場(chǎng)頂板和兩幫，以及礦柱的安全率均大于1，證明此時(shí)的采場(chǎng)是穩(wěn)定的。但從數(shù)值上看，采場(chǎng)頂板及兩幫局部區(qū)域安全率均為1.1，說(shuō)明此時(shí)礦柱及采場(chǎng)頂板均處于屈服狀態(tài)，但已接近臨近狀態(tài)。

圖11 采場(chǎng)跨度為20m時(shí)的安全率曲線

3 結(jié)論

綜合以上巖石力學(xué)數(shù)值分析結(jié)果，某深井硬巖銅礦基于充填采礦“隔一采一”的回采順序情況下，當(dāng)采場(chǎng)高度為80m時(shí)，采場(chǎng)跨度定為20m，無(wú)論從應(yīng)力分布、位移量，還是安全率上均為合理，既保證了采場(chǎng)的穩(wěn)定，又最大程度上發(fā)揮了采場(chǎng)的生產(chǎn)能力，有利于大型高效采礦設(shè)備的應(yīng)用。

[1] 童光煦.高等硬巖采礦學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1995:143-148.

[2] B.H.G.布雷迪,E.T.布朗.地下采礦巖石力學(xué)[M].馮樹(shù)仁等,譯.北京:煤炭工業(yè)出版,1990.

[3] 王清來(lái)，許振華.復(fù)雜采空區(qū)條件下殘礦回收與采區(qū)穩(wěn)定性的有限元數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山，2010,409(7)：37-40.

[4] 沈慧明，許振華, 朱利平,等.殘礦回采順序優(yōu)化與復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性的有限元模擬研究[J].中國(guó)礦業(yè),2011,20(1):78-81,103.

[5] 陳何,程國(guó)江.垂直分條充填采礦法采場(chǎng)參數(shù)的數(shù)值分析[J].礦冶,2001,3(10):1-5,10.