采場回采順序數(shù)值模擬研究

陳曉博，郭 霆，馬玄恒， 王 剛

(陜西冶金設計研究院有限公司， 陜西 西安 710032)

0 引 言

不同的回采順序在巖體內(nèi)產(chǎn)生不同的次生應力場，使巖體所承擔的荷載和產(chǎn)生的變形不同[1]。在深部礦床回采中需控制地應力的顯現(xiàn)，而采場回采順序是一種主動控制地應力的方式[2]。合理的回采順序能夠改善圍巖的應力分布狀態(tài)，降低礦柱和圍巖在開挖后集聚的能量，提高采場的穩(wěn)定性。

目前，對采場回采順序的研究主要是基于巖體工程的穩(wěn)定性，常用的方法有：工程類比法、計算機模擬放礦、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化法、數(shù)值模擬分析法、相似模型試驗、半工業(yè)試驗以及現(xiàn)場工業(yè)試驗等[3-5]。相似模型試驗、半工業(yè)試驗以及現(xiàn)場工業(yè)試驗較數(shù)值模擬有著明顯的劣勢，數(shù)值模擬可以在較短時間內(nèi)實現(xiàn)多種方案的對比；而前者則需要耗費大量的人力、物力和財力才能實現(xiàn)對巖體工程的分析，并且難以實現(xiàn)多組方案的對比。隨著數(shù)值模擬軟件的快速發(fā)展，地下采礦工程中也已經(jīng)實現(xiàn)了應用FLAC3D、ANSYS、MIDAS、UDEC[6-10]等軟件模擬采場回采順序。本文采用FLAC3D建立礦體模型，基于采場開挖的基本原則，設計并模擬不同回采順序過程中的應力位移變化規(guī)律，分析圍巖、礦柱和充填體的應力位移以及塑性破壞情況，得出合理控制地壓的回采順序。

1 礦床開采技術(shù)條件

該礦屬于礦體儲量大但礦石品味低的大型礦床，礦體走向長度大。近地表的礦石儲量較小，主要礦體賦存于深部。礦體頂?shù)装鍑鷰r主要為石英閃長斑巖，少量砂頁巖。零星礦體的頂?shù)装逵猩绊搸r、石英閃長斑巖以及二者組合的多種情況。頂板蝕變較強，蝕變礦物組合較復雜，以青磐巖化為主，不同程度疊加硅化、絹云母化、鉀化等，伴有細脈狀、細脈浸染狀、浸染狀黃鐵礦、黃銅礦；底板圍巖蝕變礦物組合相對簡單，主要以硅化、鉀化為主，混有細脈狀、浸染狀黃鐵礦、黃銅礦[11]。礦區(qū)典型礦巖分類見表1。

表1 礦區(qū)典型礦巖分類

2 基于FLAC3D的回采順序數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

根據(jù)巖石的模擬參數(shù)(見表2)，利用FLAC3D建立采場回采順序?qū)r體穩(wěn)定性影響的數(shù)值模型。以首采中段為研究對象，建立長×寬×高為840 m×1255 m×480 m的計算模型，模型表面距離地表300 m。重點計算區(qū)域模型為280 m×425 m×120 m，模型單元83360個，共有節(jié)點數(shù)93645個。

表2 巖石數(shù)值模擬參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案

方案一：3個盤區(qū)同時作業(yè)，每個盤區(qū)布置一個采場回采作業(yè)，在開始回采作業(yè)時，2#回采的采場與1#、3#盤區(qū)回采的采場呈等腰三角形布置，共8步完成回采作業(yè)。具體回采順序見圖1(a)。

方案二：回采時按兩個盤區(qū)同時作業(yè)，上盤盤區(qū)按“隔三采一”布置2個采場、下盤盤區(qū)1個采場的生產(chǎn)方式設計開采順序，即在開始作業(yè)時1#盤區(qū)和2#盤區(qū)同時進行回采作業(yè)，在1#盤區(qū)布置兩個采場、2#盤區(qū)布置一個采場進行回采出礦，共7步完成整個區(qū)域的回采作業(yè)。具體回采順序見圖1(b)。

圖1 回采方案

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用數(shù)值模擬軟件對采場的回采順序進行模擬主要是為了分析各種方案回采過程中的應力、位移以及塑性變形的規(guī)律。本次模擬分別對兩種回采方案進行模擬，對關(guān)鍵位置進行跟蹤記錄，并通過各個方案的對比分析來優(yōu)選采場的回采順序。限于文章篇幅，本文選取典型剖面作為研究對象，分析其在模擬回采過程中的各項指標變化情況。

3.1 頂板應力變化規(guī)律

最大主應力變化曲線見圖2，由圖2可知，方案一的回采順序在采場回采完畢之后，最大主應力均出現(xiàn)較大的增長，說明該方案在開采未回采礦房時對于已充填采場的擾動較大，不利于采場的穩(wěn)定。而方案二在采場開挖、充填后，最大主應力未出現(xiàn)大幅度增長以及波動，未采礦房的開挖對已回采礦房充填體擾動較小，利于采場的穩(wěn)定。在確定回采區(qū)域的礦房開采順序時，相鄰采場之間的回采順序盡量間隔，以此來減小采場之間的相互擾動。

最小主應力變化曲線見圖3，由圖3可知，在回采過程中，各個監(jiān)測點的最小主應力隨開挖步的推進總體上呈階梯狀減小。在監(jiān)測點所在的采場最小主應力出現(xiàn)拉應力，但由于拉應力較小，其最大值約為0.6～1.0 MPa，未達到巖石的抗拉強度4.87 MPa。在整個回采過程中，方案二的最小主應力整體相比方案一小。

圖2 最大主應力變化曲線

圖3 最小主應力變化曲線

3.2 頂板垂直位移變化分析

位移曲線見圖4，由圖4可看出中間盤區(qū)(2#盤區(qū))的采場頂板垂直位移最大，上盤盤區(qū)(1#盤區(qū))的采場頂板位移次之，垂直位移最小的是下盤盤區(qū)(3#盤區(qū))采場；通過分析比較各步回采中的最大位移可得出：垂直走向的相鄰采場回采對本采場頂板的影響遠大于沿走向的相鄰采場回采對本采場的影響。每一步回采之后，采場頂板下沉，尤以頂板中央?yún)^(qū)域的垂直位移最大，其位移云圖呈拱狀。兩種方案回采過程中監(jiān)測點在其所在采場回采作業(yè)時位移都出現(xiàn)跳躍性增長，此時頂板處于最危險的時候。因此，在回采作業(yè)時要嚴密注意采場頂板的變化，對于可能出現(xiàn)的冒頂情況及時處理。

圖4 位移變化曲線

3.3 回采過程中塑性區(qū)變化分析

方案一塑性區(qū)分布如圖5(a)所示，由圖5(a)可

看出，礦房間預留的礦柱呈較大面積剪切破壞，礦柱失穩(wěn)的可能性大，礦體兩幫出現(xiàn)局部剪切破壞。

方案二塑性區(qū)分布如圖5(b)所示，從圖5(b)可看出，預留的永久礦柱未出現(xiàn)大面積剪切破壞，礦柱的整體性較好。與方案一相比，塑性區(qū)體積減少，但回采過程中在采場的中上部曾進入屈服狀態(tài)。從前文的應力分析可知回采過程中出現(xiàn)的拉應力未超過巖石的抗拉強度，采場的整體性、穩(wěn)固性未受到破壞。因此方案二的回采順序較方案一安全

綜合以上對3種方案的位移場、應力場以及塑性區(qū)分析可得出，盤區(qū)內(nèi)“隔三采一”的方式布置采場有利于降低回采過程中的應力集中程度，減小巖體變形、位移和塑性區(qū)，有利于回采區(qū)域在開挖過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，選用方案二作為首采中段的回采順序。

圖5 回采結(jié)束后塑性區(qū)分布

4 結(jié) 論

本文采用FLAC3D建立礦體模型，模擬采場的回采過程，通過對3種回采方案采場回采過程中的應力、位移和塑性區(qū)變化規(guī)律對比分析得出：

(1) 盤區(qū)之間的回采存在相互擾動，盤區(qū)本身回采完成之后，相鄰盤區(qū)的回采依然會影響已采盤區(qū)的穩(wěn)定性；

(2) 綜合采場回采過程中應力、位移和塑性區(qū)的變化規(guī)律，得出方案二的回采方式能夠較好的控制地壓。

因此，回采過程中在同一盤區(qū)內(nèi)盡量按照“隔三采一”的方式布置采場。

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