空區群結構力學效應模擬分析

蔣永春

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205)

0 引 言

銅坑礦是一座具有幾十年歷史的老礦山,開采過程中產生了大量的采空區,復雜空區群造成了井下圍巖應力分布異常復雜,是一個重大安全隱患,嚴重威脅礦山的安全生產[1G2].

空區群結構致災的原因是復雜的,其中應力作用是一個主要原因.由于空區群具有隱伏性、危險性、難以靠近等特點,因此其失穩破壞的過程是難以觀察的.空區群的結構效應[3]又導致了其失衡機理復雜多變,難以直接探究其失穩機理.

通過數值模擬計算方法對空區群結構失穩破壞過程進行模擬,探究空區群結構力學效應的變化規律是一種簡單可行的辦法[4G7].巖石破裂過程分析系統RFPA是一種模擬非連續介質從細觀破裂到宏觀破裂直至全過程失穩的數值試驗工具[8].運用RFPA對銅坑礦典型空區群進行漸進失穩破壞的數值模擬,以探究空區群結構力學效應變化規律.

1 計算區域的選取

通過對92＃礦體空區群的空間分布情況進行分析,選取以下典型空區群作為本次數值模擬計算區域:勘探線204－1上的T417,T416,T415空區群;勘探線206－1上的T610,T609空區群;勘探線202－2上的T206,T203,T202空區群.從空間分布、空區大小及空間間距情況都具有代表意義,其空間分布有上下、平行和斜交三種類型;空區體積最大的達到150000 m3,其頂板面積最大達4000 m2;空區間距為6~85 m不等.所選空區群基本代表了銅坑礦井下空區群分布的特點.

2 RFPA數值計算模型

2.1 數值計算模型

根據模型大小和RFPA軟件運算能力,對不同模型選取不同的模型范圍和單元大小(見表1),建立的RFPA計算模型如圖1所示.

表1 隱患空區REPA計算模型參數

圖1 各勘探線RFPA計算模型

2.2 基元賦值

基元參數是根據礦巖性質進行選取的.依據92＃礦體及圍巖的性質,選取的基元參數見表2[9].

表2 銅坑礦巖體基元參數

2.3 初始地應力及邊界條件

巖體的地應力由自重應力與構造應力組成.巖體自重應力是豎直向下的,與其密度密切相關;構造應力較為復雜,據測量與實驗,本礦構造應力并不顯著.因此,應力主要是巖石自重應力.

銅坑礦的原巖應力主要是自重應力,與單軸抗壓的平面應變模型相似,因此其邊界條件可設置為:應力加載方向為Y軸向下,約束條件為不約束.自重應力根據空區群上方巖體自重進行求取.

3 空區群結構力學效應模擬分析

模型X方向外邊界限制垂直于邊界的位移,模型Y方向第一步施加外荷載3 MPa,以后以每一步0.25 MPa的加載量進行加壓模擬.在模擬過程中假定空區群是一次預先形成,只需要RFPA系統進行加載,重點研究圍巖系統的起裂部位和破裂演化路徑及其與空區群結構相互作用關系.

3.1 勘探線204－1的空區群

圖2為勘探線204－1空區群靜力失穩破壞過程的剪應力分布.

(1)隨著加載至第5步時(壓應力為4.25 MPa),每個空區頂板均未出現拉破裂,而T417,T416,T415空區礦柱上剪應力逐漸增大,出現了剪切微裂紋;隨后微裂紋逐漸增加形成微破裂帶,深入礦柱中,由于空區之間距離較遠,空區未能連成一片,因此,沒有形成一個大的聯合空區;

(2)加載至第9步時(壓應力為5.25 MPa),T417空區頂板首先出現了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發展,形成片幫現象.

(3)至第21步時,T417空區頂、底板均出現較大的拉破裂,且隨著進一步加載,拉破裂進一步增大.

(4)至第34步時(壓應力達11.50 MPa),T415空區也出現了較大的拉破裂,T417空區則整體突發失穩.

(5)至第53步時,T417,T416,T415空區都被破壞,3個空區整體失穩.

圖2 勘探線204－1空區群圍巖失穩破壞過程

3.2 勘探線206－1的空區群

圖3 為勘探線206－1空區群靜力失穩破壞過程的剪應力分布.

(1)隨著壓應力的加載,空區周邊圍巖應力發生重大變化,突出表現在空區間柱上.隨壓應力的不斷加載,間柱上的剪應力急劇增大,間柱上出現了微裂紋,此后微裂紋不斷向間柱深處發展.

(2)加載至第5步時(壓應力為4.25 MPa),首先在T610,T609空區右幫出現微裂紋,隨著應力波的逐步向上傳播,裂紋不斷往空區上方擴展.

(3)加載至第14步時(壓應力為6.50 MPa),空區頂板首先出現了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發展,形成片幫和垮落現象.由于空區間柱寬度只有6 m,裂紋最先在該位置貫通致使空區間柱失去支撐能力,此時空區群結構整體功能基本失效,但結構形式尚存,仍能夠發揮部分殘余支撐作用.

(4)加載至第25步時(壓應力達9.25 MPa),空區間的間柱發生斷裂破壞,空區群－圍巖系統突發整體性失穩.

圖3 勘探線206－1空區群圍巖失穩破壞過程

3.3 勘探線202－2的空區群

圖4 為勘探線202－2空區群靜力失穩破壞過程中的剪應力分布.

圖4 勘探線202－2空區群圍巖失穩破壞過程

(1)由于T206空區與其它空區間距相對較大,達85 m,因此,其它空區的存在對其影響相對較少.加載壓應力后空區只出現局部微裂紋,擴展速度緩慢.

(2)T202與T203空區在空間上處于上下斜交位置,間距寬度只有6 m,隨著壓應力的進一步增大,空區周邊圍巖應力發生重大變化,尤其表現在斜交的間柱上.隨壓應力進一步增大,間柱上的剪應力急劇增大,間柱上出現了微裂紋,此后微裂紋逐漸向圍巖深處發展,貫通于整個礦柱,礦柱失去支撐能力.

(3)加載至第4步時(壓應力為4.00 MPa),首先在T203空區右上方出現局部片幫垮落的現象,隨著壓應力的近一步增大,片幫范圍不斷向外擴展.

(4)加載至第16步時(壓應力為7.00 MPa),T202與T203空區間的間柱發生斷裂破壞,導致兩小空區連通成大空區.

4 結 論

(1)在自重應力為主作用下,空區群中各個空區頂板均會出現拉破壞,導致空區頂板失穩破壞.由此可見拉破壞是頂板破壞的主要原因.

(2)空區間上下斜交的薄礦柱最易失穩破壞,導致小空區連通成大空區,極易出現空區群突發性整體失穩的重大事故.

(3)空區群中距離其他空區較遠的空區,如勘探線202－2上的T206空區,其實一定程度上相當于單個獨立空區,不易發生失穩.

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