大尺寸采場充填體穩(wěn)定性數(shù)值分析

張耀斌　楊　春

(1.西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊；2.湖南省深部金屬礦開發(fā)與災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗室)

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大尺寸采場充填體穩(wěn)定性數(shù)值分析

張耀斌1楊春2

(1.西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊；2.湖南省深部金屬礦開發(fā)與災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗室)

摘要運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對某大型地下金屬礦山回采設(shè)計方案進(jìn)行模擬，從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)、垂直位移4個方面,分析了處于最大暴露面積下的充填體穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采用50 m高度回采時，充填體可能出現(xiàn)片幫；充填體與頂板相接位置形成了5 m左右的貫通塑性變形層，充填礦柱喪失了支撐能力，該回采方案存在較大安全隱患，需進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞充填體礦柱頂板穩(wěn)定性

為擴(kuò)大產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)采場高效開采，國內(nèi)某地下金屬礦山委托相關(guān)科研單位進(jìn)行了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、充填工藝等課題研究，提出了礦塊間隔布置的高效空場嗣后充填采礦法。由于回采過程中充填體最大暴露高度達(dá)50 m，有必要對其安全性進(jìn)行評價，以便實(shí)現(xiàn)礦體的安全高效開采[1-3]。

目前數(shù)值模擬分析軟件在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行采場穩(wěn)定性分析。白銀[4]采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，進(jìn)行采礦方法安全性的數(shù)值模擬分析和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，最終選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法；王新民[5]對9種典型采場結(jié)構(gòu)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較分析,確定了采場最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),并對當(dāng)前采礦方案提出修正和調(diào)整建議，以便高效生產(chǎn)。本文通過數(shù)值模擬軟件對礦體回采及充填過程進(jìn)行模擬，從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)、垂直位移4個方面對采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究礦塊間隔布置的高效空場嗣后充填采礦法在礦山的適用性。

1數(shù)值模擬的相關(guān)理論

在采礦、水工、地下工程中，常用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限單元法、邊界元法、半解析法、離散元法和無界元法等。有限差分程序是一個專門模擬地下巖體開挖工程應(yīng)力及變形的三維分析軟件，對于模擬地下礦山開采、支護(hù)、隧道開挖，尤其是多步驟開挖有著很好的適用性。通過數(shù)值計算結(jié)果，可以得出不同開采步驟下的力學(xué)、位移變化特性，對采礦工程的穩(wěn)定性分析以及采場優(yōu)化研究有重要作用。

有限元分析軟件在模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分方面較為方便，因此本次數(shù)值模擬在有限元分析軟件中建立計算模型并劃分網(wǎng)格，編組后導(dǎo)入有限差分軟件賦予材料參數(shù)進(jìn)行計算，節(jié)省了有限差分軟件中的建模成本。

2數(shù)值模型構(gòu)建

2.1基本假定

為便于計算，對采場結(jié)構(gòu)特別是對回采支撐的充填體框架在模型中需作進(jìn)一步處理，對礦體介質(zhì)性質(zhì)及計算模型作必要的假設(shè)：①將礦體視為理想的彈塑性材料，選用摩爾-庫侖模型，進(jìn)行非線性分析；②忽略斷層、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面對采場穩(wěn)定性的影響；③忽略地震波、爆炸沖擊波、地下水等因素對采場穩(wěn)定性的影響；④忽略地表起伏，根據(jù)圣維南原理，開挖影響范圍之外的力學(xué)作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)荷載或約束。

2.2數(shù)值模型構(gòu)建

該礦山一期開采礦體規(guī)模最大，形態(tài)及產(chǎn)狀較穩(wěn)定，平均水平厚度207 m(包括夾石)，傾角40°～50°，屬極厚大傾斜礦體。主要采礦方法為空場嗣后充填采礦法，在初步設(shè)計報告中推薦使用礦塊留間柱布置回采方案：盤區(qū)沿礦體走向布置，長度120 m，寬為礦體厚，高100 m(階段高度)，盤區(qū)間柱15 m。在盤區(qū)范圍內(nèi)沿礦體走向和垂直方向劃分回采礦塊，礦塊長軸方向與礦體走向一致。一步開采采用膠結(jié)充填，二步以尾砂充填為主。一步礦塊連續(xù)布置，分步回采，礦塊長60 m，寬20 m，高100 m。二步礦塊亦連續(xù)布置，礦塊中間用間柱分割，礦塊長56 m，寬20 m，高100 m，間柱長20 m，寬8 m。一步采和二步采礦塊間隔排列如圖1所示。

圖1　礦塊布置

為了節(jié)省計算成本，選取采場5個礦塊作為研究對象。根據(jù)圣維南原理，開挖擾動影響范圍約為開挖尺寸的3～5倍，為簡化模型，不考慮間柱，以節(jié)省計算成本，垂直走向取5個礦塊，單個礦塊長60 m，寬20 m，高100 m，完整模型尺寸700 m×420 m×700 m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型幾何中心，礦塊模型如圖2所示。

圖2　礦塊有限元模型

一步驟1#、3#、5#礦塊按10 m分層高度依次上向回采，每一分層回采完成后采用膠結(jié)充填。待1#、3#、5#礦塊采完最后一個分層并充填接頂后，2#、4#礦塊按50 m分層高度分兩次回采，回采后形成的采空區(qū)采用尾砂非膠結(jié)充填。2#、4#礦體回采過程中1#、3#、5#膠結(jié)充填體最大暴露高度為50 m，此時膠結(jié)充填體處于最危險時刻，礦塊分層開挖模型如圖3所示。

圖3　礦塊有限元模型

2.3礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3.1礦石力學(xué)參數(shù)

礦石力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)試驗獲得，如表1所示。

表1　礦石物理力學(xué)參數(shù)

2.3.2非膠結(jié)充填材料力學(xué)參數(shù)

非膠結(jié)充填體材料采用尾砂，根據(jù)相關(guān)試驗參數(shù)進(jìn)行類比[6]，參數(shù)見表2。

表2　非膠結(jié)充填材料力學(xué)參數(shù)

2.3.3膠結(jié)充填材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)科研單位試驗，研發(fā)了高強(qiáng)度膠結(jié)充填材料，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。視充填體為均一材料，將試驗參數(shù)取均值作為計算參數(shù)。

2.4本構(gòu)模型

構(gòu)造模擬圍巖的數(shù)值模型需定義巖體性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，即本構(gòu)模型。由于計算研究范圍涉及的巖體(灰?guī)r、砂巖)、礦體、廢石膠結(jié)充填體均屬彈塑性材料，適應(yīng)于莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，其力學(xué)模型為：

表3　全尾砂試驗參數(shù)

(1)

式中，σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c、φ分別為材料粘聚力和內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)，當(dāng)fs≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài),當(dāng)fs≤0時，材料處于彈性變形階段。

3采場穩(wěn)定性分析

3.1一步膠結(jié)充填完成

礦塊分層回采后頂板失去支撐，產(chǎn)生較大垂直位移，拉應(yīng)力也集中在頂板中央，壓應(yīng)力則集中在空區(qū)側(cè)幫。礦體為彈塑性材料，當(dāng)變形超過一定范圍即形成塑性區(qū)，每一分層開采過程中均有塑性區(qū)產(chǎn)生。在1#、3#、5#礦塊逐層膠結(jié)充填接頂后，充填體對采空區(qū)頂板側(cè)幫具有一定的支撐作用，頂板與側(cè)幫應(yīng)力極值減小。因采空區(qū)塑性變形不可逆，故充填接頂后頂?shù)装寮皞?cè)幫位置的豎直位移、塑性區(qū)范圍較未充填時無明顯變化。

如圖4所示，1#、3#、5#礦塊10個分層膠結(jié)充填完畢，采場無暴露空間，20 m×60 m×100 m膠結(jié)充填體與2#、4#待采礦柱支撐頂板。最大拉應(yīng)力0.46 MPa，最大壓應(yīng)力24.5 MPa，相比采場頂板有暴露空間時的應(yīng)力場，充填體承擔(dān)了較大應(yīng)力；10個分層充填單元周圍垂直位移12～20 cm，采場塑性變形主要集中在充填體與礦體接觸面附近。從第一分層的開挖與充填到第十分層開挖充填完成，采場的應(yīng)力場趨于較為安全狀態(tài)，各項指標(biāo)均未超過礦體強(qiáng)度極限。

圖4　一步充填(剖面位置Y=0)

3.211分層回采

此步驟回采是整個研究過程的關(guān)鍵，2#、4#礦塊11分層開挖后充填體有了暴露空間，特別是中央3#充填體下部雙側(cè)暴露。根據(jù)模擬結(jié)果，11分層回采后3#充填體上部主要表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，應(yīng)力值為0～1 MPa，下部為壓縮狀態(tài)，壓應(yīng)力值為0～2.5 MPa；12分層側(cè)幫與充填體相接觸，與完整巖石相比此接觸面上粘結(jié)力較小，因此頂板產(chǎn)生較大垂直位移，約25 cm；充填體塑性區(qū)主要產(chǎn)生在兩幫及頂板附近，從應(yīng)力角度，充填體中有大部分區(qū)域應(yīng)力值已經(jīng)超過了其強(qiáng)度極限。見圖5。

圖5　11分層開挖(剖面位置Y=0)

3.312分層回采

12分層開挖后3#充填體再次形成50 m的暴露高度，后續(xù)作業(yè)均在暴露頂板下進(jìn)行，有必要對頂板及充填體礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖6所示，頂板與3#充填體接觸面附近產(chǎn)生了較大垂直位移，約26 cm，并且頂板全部產(chǎn)生塑性變形，與3#充填體接觸面上主要表現(xiàn)為拉伸塑性變形,說明充填體承受了較大豎向壓力；充填體內(nèi)最大拉應(yīng)力為1.63 MPa，已經(jīng)超過其極限強(qiáng)度，同時3#充填體側(cè)幫塑性區(qū)已經(jīng)上下貫通。從側(cè)面截圖也可以看出，在12分層回采后塑性區(qū)變化較為明顯，與頂板接觸的地方形成了高度約5 m且內(nèi)部貫通的塑性變形層。

圖6　12分層回采頂板

4結(jié)論

通過對模型進(jìn)行多方位剖視，從最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直位移、塑性區(qū)4個方面對采場穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：11分層開挖時，3#充填礦柱大部分區(qū)域應(yīng)力已經(jīng)超過其強(qiáng)度極限，12分層開挖后充填體外圍形成了貫通的塑性區(qū)，暴露面可能產(chǎn)生大范圍冒落，從而削弱其支撐能力。故此方案存在極大的安全隱患，需進(jìn)行調(diào)整，如選用高強(qiáng)度的充填材料或降低階段高度等。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-10-20)

Numerical Simulation Analysis of Filling Body Stability of Large Scale Stope

Zhang Yaobin1Yang Chun2

(1. 717 Team,Northwest Nonferrous Geological Exploration Bureau; 2. Hunan Key Laboratory of Mineral Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines)

AbstractThe stoping scheme of a large underground metal mine is simulated by numerical simulation software, the filling body stability under maximum exposure area is analyzed from four aspects of the maximum principal stress, the minimum principal stress, the plastic zone and the vertical displacement. The simulation results show that the filling body might appear wall falling phenomenon with 50 m mining height;The 5 m plastic deformation layer is occurred in the following location of filling body and roof,the supporting capacity of filling pillars is lost.Therefore,big security hidden dangers of the stoping scheme is existed,it is necessary to improved it.

KeywordsFilling body, Mine pillar, Roof, Stability

張耀斌(1973—)，男，工程師，721004 陜西省寶雞市金臺區(qū)。