復雜環(huán)境下難采礦體開采的力學分析

向　軍

(凡口鉛鋅礦，　廣東 韶關市　512325)

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復雜環(huán)境下難采礦體開采的力學分析

向軍

(凡口鉛鋅礦，廣東 韶關市512325)

復雜環(huán)境下頂?shù)字埖V的安全高效回采一直是地下礦山安全生產(chǎn)管理的重點和難點，以凡口礦某底柱的開采為例，根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀構(gòu)建三維有限元數(shù)值模型，開展了凡口礦底柱開采數(shù)值分析研究。結(jié)果表明：底柱采場開挖之后，頂、底板和圍巖的位移和應力變化范圍不大，且應力集中區(qū)域在合理范圍之內(nèi)。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，提出了安全可行的回采方案。研究結(jié)果為相似底柱殘礦的回收提供參考。

復雜環(huán)境；開采安全；頂柱回采；數(shù)值模擬；力學分析

0　前　言

受資源開采條件、采礦技術水平及裝備技術等影響，我國礦山開采遺留下大量的殘礦資源，如何實現(xiàn)安全高效回采殘礦資源是亟待解決的問題之一，也是最大程度回收資源、延長礦山服務年限的一種有效手段之一。殘礦的賦存條件往往較復雜，回采安全難度大、回采效率底、成本高是該類資源開采的難點之一。

凡口鉛鋅礦經(jīng)過近50年開采，留下了大量難采的頂?shù)字葰埖V資源，為了最大限度地安全回收底柱殘礦，應進行采礦工藝優(yōu)化，研究摸索出安全高效的殘礦資源開采工藝。因此，通過選取凡口礦某底柱采場，構(gòu)建出三維有限元數(shù)值分析模型，開展底柱采場開采后頂、底板和圍巖數(shù)值分析，對開采后圍巖的力學狀態(tài)進行預測，在此基礎上研究安全高效的回采技術方案。

1　工程概況

以Sh-320 m S1#底柱為例，Sh-320 mS1#底柱采場由Sh-320 m水平進入，采場平面見圖1。

S1#底柱采場充填面與一分段的拉底層底板標高差約為9.7 m。采場結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理發(fā)育，中間填充物多為泥炭質(zhì)，膠結(jié)差，易脫層。采場西頭為F3斷層，礦灰交界處，分布有多條小斷層，受其作用局部礦巖結(jié)構(gòu)破碎，穩(wěn)固性減弱，頂邊幫易產(chǎn)生脫層冒落，開采條件復雜，另受周邊爆破影響，整體穩(wěn)定性較差，回采安全難度大。

圖1Sh-320 m S1#底柱采場平面

2　數(shù)值分析

2.1數(shù)值模型的構(gòu)建

根據(jù)礦山現(xiàn)有的開采情況(見圖2)建立有限元模型。數(shù)值模型取垂直方向為Z軸，采場走向為Y軸，與采場走向垂直方向為X軸，模型的四周采用固定支撐。模型范圍垂直方向70 m，寬和長均為60 m。數(shù)值分析選取彈塑性本構(gòu)模型，并采用Drucker-Prager屈服準則，采場的開挖可由單元鈍化來實現(xiàn)。表1為經(jīng)過力學實驗獲取的巖石物理力學參數(shù)。

圖2　開采現(xiàn)狀

巖體名稱體重γ/(g·cm-2)彈性模量E/GPa泊松比ν抗壓強度σc/MPa礦體3.4617.40.2514.3充填體3.235.70.230.35巖體名稱抗拉強度σt/MPa黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角/(°)礦體2.373.0536.3充填體0.120.3538.1

2.2開挖對采空區(qū)應力場的影響

從圖3和圖4中可看出，主應力分布較為均勻，在頂、底板和兩幫出現(xiàn)部分應力集中，圍巖受到的最大壓應力為19.76 MPa，最大拉應力未出現(xiàn)。圖5為剪應變云圖，從水平方向看，兩幫的剪應變較大；從豎直方向看，頂、底板上出現(xiàn)的剪應變較大。

2.3開挖對采空區(qū)位移場的影響

頂、底板和兩幫的最大位移(見圖6)分布于采空區(qū)的頂、底部，頂板的最大下沉量為108 mm，底板的最大位移量為93.7 mm。

圖3　第一主應力云圖

圖4　第三主應力云圖

圖5　剪應變云圖

通過以上應力場和位移場的分析可知：底柱采場的開采，對頂、底板和兩幫的影響在允許的范圍之內(nèi)，按照數(shù)值分析的結(jié)果，對有可能失穩(wěn)的區(qū)域應采取相應措施，保證開采的安全進行。

圖6　z方向上位移云圖

3　安全回采方案

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮利用上向鑿巖臺車進行機械化回采。規(guī)劃如下：臺車向上打5桿(每桿1.1 m),布置人工拉槽區(qū)，采用菱形對角掏槽，中間布置排氣孔，拉槽區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)為1.1 m ×1.1 m；側(cè)爆區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)為1.4 m×1.5 m，采場共布置117個孔，裝乳化炸藥進行爆破，毫秒雷管起爆，共20個段，炸藥量1500 t，單耗0.4，裝藥系數(shù)0.7。

圖7　Sh-320 m S1#底柱采場炮孔布置

4　結(jié)　論

采用數(shù)值分析方法研究了凡口礦底柱殘礦回采的安全性。通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，并進行模擬開挖計算，獲取開挖引起的頂、底板和圍巖的應力、應變力學響應特性，數(shù)值計算的結(jié)果表明：底柱采場的開采導致了內(nèi)部應力場重新分布，在頂、底板及圍巖的中部尤為突出，應力集中現(xiàn)象在兩幫處體現(xiàn)最明顯，此處極易發(fā)失穩(wěn)垮塌或壓壞等現(xiàn)象，應加以防范。在此基礎上，可考慮采用上向鑿巖臺車進行回采，確保回采安全高效。

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2016￣04￣20)

向軍(1983-) ，男，湖南懷化人，采礦工程師，主要從事井下管理和采礦技術研究。