基于FLAC3D的采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析與支護(hù)設(shè)計(jì)*

瑪?shù)┙ね履緺枺踬O明，孫 偉

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

基于FLAC3D的采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析與支護(hù)設(shè)計(jì)*

瑪?shù)┙ね履緺?，2，王貽明1，2，孫 偉2

（1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為了維護(hù)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性，確保采場(chǎng)安全生產(chǎn)，在前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、原巖應(yīng)力測(cè)定、確定室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上，采用FLAC3D方法對(duì)謙比希西礦體采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算和支護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用錨桿支護(hù)作為頂板穩(wěn)定性控制措施，并采用工程類比法確定了錨桿的合理參數(shù)；對(duì)無(wú)支護(hù)和錨桿支護(hù)兩種方案進(jìn)行了分析研究，模擬結(jié)果表明選取樹(shù)脂錨桿支護(hù)能夠減小頂板壓力，控制頂板位移變形和巖體冒落。后期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)表明，用樹(shù)脂錨桿支護(hù)頂板之后，頂板的豎向下沉量從未支護(hù)的88.68mm減小到29.24mm；頂板塑性區(qū)也明顯減小。說(shuō)明能夠保證采場(chǎng)頂板的安全穩(wěn)定。

頂板穩(wěn)定性；工程類比法；錨桿支護(hù)；支護(hù)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

1 引言

據(jù)調(diào)查研究［1-2］,在礦山安全事故中，因頂板冒落所引起安全事故排在前列。金屬礦山地下開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，受各種因素的影響（礦體賦存條件、采礦方法等），經(jīng)常發(fā)生不同形式的頂板冒頂、坍塌等現(xiàn)象，對(duì)井下工作人員以及設(shè)備造成極大的危險(xiǎn)。如果不采取合理的頂板控制措施，則頂板失穩(wěn)、冒落等問(wèn)題更為嚴(yán)重。這不僅影響到井下正常生產(chǎn)作業(yè)、資源浪費(fèi)，甚至造成重大財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡。因此，全面地研究分析采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，提出合理的支護(hù)措施，對(duì)防止采場(chǎng)頂板冒頂，保障礦山正常生產(chǎn)作業(yè)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。針對(duì)以上問(wèn)題，本文在結(jié)合前期的工作成果，確定室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua,簡(jiǎn)寫(xiě)FLAC），對(duì)謙比希銅礦西礦體采場(chǎng)頂板進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。

與目前應(yīng)用較普遍的工程類比、理論計(jì)算等錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法相比,數(shù)值計(jì)算方法可以考慮眾多影響巷道圍巖變形、破壞和錨桿支護(hù)作用,因此錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值計(jì)算是可行的［3-4］。本文將在多方案的基礎(chǔ)上,選出最優(yōu)方案,以保證模擬和設(shè)計(jì)較高的科學(xué)性和合理性。

2 工程概況

謙比希銅礦位于贊比亞銅帶省謙比希鎮(zhèn)，在地質(zhì)構(gòu)造上處于世界著名的非洲中部贊比亞—?jiǎng)偣?金)銅鈷礦帶的中部偏南，屬于泥質(zhì)型沉積變質(zhì)礦床，是世界上大型的沉積礦床之一。西礦體走向近東西，傾向南，傾角30°左右。礦體走向長(zhǎng)1400～2100m，真厚度平均7.36m。礦體東部和中下部厚度較大，西部厚度相對(duì)較小，僅3～4m。礦體及上盤(pán)圍巖屬于沉積板巖，層理極其發(fā)育，其產(chǎn)狀與礦體產(chǎn)狀相同，礦巖穩(wěn)固性差，暴露時(shí)易產(chǎn)生掉塊和塌方。10#采場(chǎng)埋深200ml,采用上向進(jìn)路式膏體充填采礦，采場(chǎng)長(zhǎng)度60m，分4個(gè)分層依次從下之上進(jìn)行回采，每個(gè)分層高度4m。采場(chǎng)厚度為礦體厚度，并按照礦體厚度劃分進(jìn)路條數(shù)，進(jìn)路斷面尺寸為6m×4m，采礦方法圖如圖1所示。在進(jìn)行的礦巖工程地質(zhì)巖組劃分結(jié)果顯示，砂層結(jié)構(gòu)最為松軟，手捏即碎，且構(gòu)成礦體的直接頂?shù)装澹怯绊懖傻V安全的最主要巖組，開(kāi)采時(shí)在采場(chǎng)內(nèi)易發(fā)生冒頂。

圖1 采礦方法示意圖

造成采場(chǎng)頂板冒落的影響因素可分為地質(zhì)構(gòu)造弱面、應(yīng)力集中、能量釋放、關(guān)鍵塊體、地下水造成等五個(gè)客觀因素和采礦方法及支護(hù)方式等兩個(gè)主觀因素。其中，“關(guān)鍵塊體”是采場(chǎng)頂板的薄弱環(huán)節(jié), 也是保持采場(chǎng)頂板整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分［5］。客觀因素是由于頂板自身的特性，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行改變。而改變已有的采礦方法對(duì)礦山生產(chǎn)造成重大影響。考慮到靠預(yù)留礦柱不能從根本上保證采場(chǎng)頂板的安全,資源浪費(fèi)；人工假頂運(yùn)料困難、 耗費(fèi)金屬及木材量大；長(zhǎng)錨索預(yù)錨固工藝復(fù)雜；超前切頂成本高、生產(chǎn)力低等綜合問(wèn)題，因此，為保證謙比希銅礦西礦體采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性、滿足礦山生產(chǎn)需求，選用錨桿支護(hù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎頂板的控制。

3 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

為了滿足采場(chǎng)頂板的開(kāi)采穩(wěn)定性要求，錨桿支護(hù)技術(shù)成為加強(qiáng)支護(hù)的一種重要控制措施，目前，最常用的確定錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法是理論計(jì)算法與工程類比法。理論計(jì)算法包括懸吊理論、組合梁與加固拱理論外，還有圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論［6-7］、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論［8］等。工程類比法則是在設(shè)計(jì)過(guò)程中找到與正在設(shè)計(jì)的工程在各方面都比較類似切設(shè)計(jì)成功的實(shí)際工程作參考［9］。確定錨桿支護(hù)形式與參數(shù)，如表1。

本次設(shè)計(jì)方綜合采用了工程類比法和數(shù)值模擬法等2種錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，為后期支護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料；

（2）室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)；

（3）采用工程類比法進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)；

（4）根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案建立FLAC3D模型,并對(duì)初始方案進(jìn)行優(yōu)化；

（5）進(jìn)行頂板位移監(jiān)測(cè)；

表1 工程類比法錨桿支護(hù)形式與主要參數(shù)

表2 巖體RMR分級(jí)結(jié)果

（6）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證及完善初始設(shè)計(jì)。

目前，國(guó)內(nèi)外比較常用的巖體分級(jí)方法主要有Q系統(tǒng)分類［10］、RMR分類［11］、BQ分類［12］和HC分類法等。根據(jù)采場(chǎng)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際水文地質(zhì)調(diào)查，選取RMR法對(duì)10#采場(chǎng)巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)報(bào)告得知巖體穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅳ級(jí)，RMR分級(jí)打分表見(jiàn)表2。通過(guò)工程類比選取全長(zhǎng)錨固的樹(shù)脂錨桿作為主體支護(hù)措施，局部破碎地帶鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

4 采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性模擬與分析

4.1 模型建立

以正在進(jìn)行作業(yè)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行一定簡(jiǎn)化以建立模型。受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力及計(jì)算精度限制，考慮回采過(guò)程的影響，在模擬中要建立四個(gè)連續(xù)礦房，按順序依次回采；礦房之間不留礦柱。模型分為上盤(pán)圍巖、礦體和下盤(pán)圍巖三個(gè)部分。礦房位于礦體中部區(qū)域，四周被上下盤(pán)圍巖和礦體包裹。考慮到整體力學(xué)模型按開(kāi)挖空間直徑（或最大跨度）3～5倍的影響范圍進(jìn)行選取，模型長(zhǎng)（Y方向）60m，寬（X方向）85m；高（Z方向）35m。模型底部采用全部約束，其余四個(gè)面進(jìn)行固定約束，地表為自由面，只考慮巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)。為了分析采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，采用FLAC3D軟件的摩爾-庫(kù)侖彈塑性理論進(jìn)行數(shù)值模擬（表3），對(duì)錨桿支護(hù)與未支護(hù)兩種情況分別進(jìn)行模擬。

圖2 錨桿錨固的加固拱理論示意圖

表3 謙比希西礦體巖體力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬得出錨桿支護(hù)與未支護(hù)兩種方案應(yīng)力和豎向位移的計(jì)算結(jié)果。由模擬結(jié)果可知錨桿支護(hù)后頂板應(yīng)力與位移都減小，能夠有效地保證頂板安全。

（1）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析：在沒(méi)支護(hù)狀態(tài)下，采場(chǎng)斷面受到的最大水平壓力為11.8MPa，水平應(yīng)力中沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力；采場(chǎng)斷面受到的垂直應(yīng)力集中分布于采場(chǎng)兩幫，形成最大12.77MPa的壓應(yīng)力集中區(qū)，頂板垂直拉應(yīng)力最大值為0.4MPa；采場(chǎng)斷面受到的剪應(yīng)力集中分布于采場(chǎng)拱角。塑性區(qū)存在于拱角、頂?shù)装澹S著模擬計(jì)算步數(shù)的增加塑性區(qū)明顯增大，頂部塑性區(qū)變形較明顯。

進(jìn)行支護(hù)后，頂板最大處置拉應(yīng)力明顯減小，甚至變?yōu)榱悖诠敖恰㈨數(shù)装寮跋虏繃鷰r部分塑性區(qū)變形明顯較小，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

（2）位移結(jié)果分析：采用樹(shù)脂錨桿進(jìn)行支護(hù)后，采場(chǎng)頂板豎向下沉量明顯減小，由88.68mm減小至29.24mm,豎向位移沉降如圖4。

圖3 采場(chǎng)塑性區(qū)模擬結(jié)果

5 采場(chǎng)頂板沉降監(jiān)測(cè)

根據(jù)支護(hù)后的采場(chǎng)頂板觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到10#采場(chǎng)下沉量為15.1～29.1mm,見(jiàn)圖5。由圖可知，設(shè)計(jì)采用的樹(shù)脂錨桿支護(hù)效果良好（支護(hù)前頂板豎向下沉量為88.68mm），能滿足采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性。

圖6 頂板支護(hù)效果圖

6 結(jié)論

（1）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)前、后采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，錨桿支護(hù)后，頂板巖體豎向位移沉降與拉應(yīng)力明顯變小。說(shuō)明錨桿支護(hù)作為頂板穩(wěn)定性控制措施穩(wěn)頂可行。

（2）在支護(hù)施工后，對(duì)后期頂板位移沉降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，頂板支護(hù)后豎向下沉量控制在15.1～29.1mm；模擬結(jié)果顯示，支護(hù)后頂板豎向下沉量從未支護(hù)的88.68mm減小至29.24mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果相近。說(shuō)明選用樹(shù)脂錨桿能夠控制頂板冒落，滿足頂板穩(wěn)定性。

（3）錨桿支護(hù)只是維持頂板穩(wěn)定措施之一，不同的工程情況應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行合理的方案選擇。

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Analysis of Stope Roof Stability and Supporting Design Based on FLAC3D

Merdan . Tvmvr1, 2, WANG Yi-ming1, 2, SUN Wei2
（1. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.The Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）

In order to maintain the stop roof stability and ensure safety in production, we performed the in-situ investigation such as field test of rock stress and indoor rock mechanics test and simulated the mining goaf stability and supporting design of Chambishi west copper mine using FLAC3D. Bolt support as the stop roof support measure is taken basing on the roof stability analysis. Reasonable parameters are determined by engineering analogy method. Both unsupported and bolt support schemes are analyzed and studied using FLAC3Dnumerical simulation method. The results show that resin bolt method can reduce the roof pressure, control the displacement of roof and rock fall. The later actual observation indicates that the vertical roof subsidence reduced from 88.68mm to 29.24mm; Roof plastic zone significantly reduced. It can guarantee the security and stability of the stop roof.

roof stability; engineering analogy method; bolt support; supporting design; numerical simulation

TD353

A

1009-3842（2015）01-0060-05

2014-09-18

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2012BAB08B02）

瑪?shù)┙ね履緺枺?989-），男，新疆吐魯番人，碩士研究生，主要從事礦山巖石力學(xué)方面的研究。E-mail: mardan007@163.com