基于ANSYS-FLAC3D 的深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究①

馬春德， 徐家慶， 劉煥新， 謝偉斌， 譚觀霜

(1.中南大學 高等研究中心,湖南 長沙410083； 2.中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙410083； 3.山東黃金集團深井開采實驗室,山東 萊州261442)

隨著采礦業(yè)的持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)大部分地下金屬礦山的淺部礦體基本開采完畢,正大規(guī)模進入深部開采階段,隨之而來的三高一擾動等深部開采問題使得地下礦山的生產(chǎn)安全受到嚴重威脅,也造成回采效率的降低及采礦成本的增加［1］。 科學設(shè)計、優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是確保深部礦山開采安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵,針對礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序開展研究具有重要的理論意義與現(xiàn)實意義［2-4］。 而采場跨度則是采場結(jié)構(gòu)參數(shù)中的主要考慮因素［5］,合理的采場跨度可提高礦山效益,降低采場安全風險［6］。

眾多學者及技術(shù)人員對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究與探討［7-10］,但均采用單個軟件進行建模分析,分析結(jié)果被軟件局限性影響［11-12］。

為了克服FLAC3D軟件在建模、網(wǎng)格劃分時的缺陷,保障模擬分析結(jié)果的真實有效,本文選用建模功能更完善的ANSYS 進行前期處理,建立跨度分別為3 m、4 m、5 m、6 m 的采場模型,隨后將模型導入FLAC3D中進行模擬實驗,對比不同方案的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)變化,從而確定采場參數(shù)的最優(yōu)跨度,為沃溪礦區(qū)深部生產(chǎn)提供科學保障。

1 工程概況

湘西金礦沃溪礦區(qū)是辰州礦業(yè)旗下最大礦山,位于湖南省沅陵縣境內(nèi),為特大型金銻鎢礦床,采用豎井＋下盤盲斜井聯(lián)合開拓、豎分條廢石膠結(jié)充填采礦法,礦脈平均厚度2 m,平均傾角26°,采場高度2 m,當中段高度為25 m 時,采場斜長約為57 m,開采深度已超千米［4］。 隨著開采進入地下深部階段,深部“三高一擾動”的惡劣工作條件及深部巖體力學特點導致工作生產(chǎn)面臨諸多問題,如工作面片幫和冒落問題等,嚴重威脅企業(yè)的生產(chǎn)安全,影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。 為了整個礦山安全高效生產(chǎn),需要對沃溪礦區(qū)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化,保障公司合理利潤。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)

在地下礦山的數(shù)值模擬實驗中,巖體力學參數(shù)精準與否會對數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。 本文從沃溪礦區(qū)取出具有代表性的紫紅色板巖及石英巖巖樣加工打磨制成標準試件,采用室內(nèi)試驗值,利用Hoek-Brown 法進行折減,折減之后的巖體力學參數(shù)見表1。

表1 沃溪礦區(qū)巖體物理力學參數(shù)

2.2 模型生成

在ANSYS 軟件中分別建立采場跨度為3 m、4 m、5 m、6 m 的三維模型,隨后進行網(wǎng)格劃分,為了保障模擬結(jié)果的精確性,縮小巷道周邊的網(wǎng)格密度。 之后將模型導入FLAC3D中,圖1 為FLAC3D中跨度為4 m 的采場模型。

2.3 邊界約束與初始條件

采場開挖后的采動影響范圍通常在巷道半徑的5倍之內(nèi),本文以分析區(qū)域的3～5 倍建立模型,各模型均采用摩爾-庫倫屈服準則計算,在模型邊界處(模型底面及4 個側(cè)面)采用位移約束,模型上表面則為自由面。

參考現(xiàn)有的湘西金礦沃溪礦區(qū)28 平、32 平、40 平地應(yīng)力測試資料,將FLAC3D中原始應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為與采場走向、軸向相互垂直的三維應(yīng)力分量,分別為:σx＝-29.46 MPa,σy＝-15.40 MPa,σz＝-30.82 MPa。

圖1 ANSYS 導入FLAC3D后跨度為4 m 的采場模型

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力場分析與比較

3.1.1 垂直方向應(yīng)力

圖2 給出了不同采場跨度下采場剖面垂直方向應(yīng)力分布云圖。 分析比較后可以得出:①采場的開挖會引起周圍區(qū)域的應(yīng)力集中,采場兩幫主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中,采場頂?shù)装灞憩F(xiàn)為拉應(yīng)力集中。 ②隨著采場跨度增加,應(yīng)力集中范圍也隨之增大。 當采場跨度為3 m 和4 m 時,頂板未出現(xiàn)垂直方向的拉應(yīng)力,圍巖穩(wěn)固；當采場跨度增加到5 m 時,頂板垂直方向應(yīng)力最大值為-0.19 MPa,已經(jīng)接近出現(xiàn)拉應(yīng)力,且應(yīng)力集中范圍較大,說明頂板圍巖存在一定程度的失穩(wěn)危險；當采場跨度為6 m 時,頂板圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)域,失穩(wěn)的可能性較大。 ③隨著采場跨度增加,壓應(yīng)力的最大值仍小于巖體的單軸抗壓強度,無法造成采場圍巖的屈服破壞。

圖2 不同采場跨度下垂直方向應(yīng)力分布云圖

3.1.2 最大主應(yīng)力

圖3 給出了不同采場跨度下采場剖面最大主應(yīng)力分布云圖。 分析比較后可以得出:①采場的開挖會引起周圍區(qū)域的應(yīng)力重分布,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在采場的頂?shù)装逄?且呈現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象。 ②當跨度為3 m 和4 m 時,最大主應(yīng)力值分別為-2.65 MPa 和-2.66 MPa,二者均處于壓應(yīng)力狀態(tài),且應(yīng)力集中范圍較小,采場處于穩(wěn)固狀態(tài)；當跨度增加到5 m 時,最大主應(yīng)力值為0.76 MPa,呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài),但應(yīng)力集中范圍較小,頂板圍巖存在失穩(wěn)危險；當跨度增加到6 m 時,最大主應(yīng)力值增加到1.09 MPa,接近圍巖抗拉強度,采場易出現(xiàn)剪切破壞或拉伸破壞。 ③壓應(yīng)力的最大值隨采場跨度增加變化較小,也小于巖體的單軸抗壓強度,無法造成采場圍巖的屈服破壞。

圖3 不同采場跨度下最大主應(yīng)力分布云圖

3.2 位移場分析與比較

圖4 給出了不同采場跨度下采場剖面垂直方向位移分布云圖。 分析比較后可以得出:①采場開挖之后,頂?shù)装宥汲霈F(xiàn)了不同程度的位移變化,其中頂板主要呈現(xiàn)出下沉現(xiàn)象,而底板則呈現(xiàn)出底鼓現(xiàn)象。 ②跨度3 m和4 m 的采場進行模擬時頂板最大沉降分別為65.9 mm和70.2 mm；但將跨度增加到5 m 時,頂板最大沉降量增至80.7 mm；而當采場跨度增至6 m 時,頂板沉降量增至92.4 mm,表明跨度增至5 m、6 m 時頂板沉降量發(fā)生質(zhì)變,在實際生產(chǎn)中可能已經(jīng)破壞。 ③跨度為3 m 和4 m時,采場底鼓最大值分別為82.0 mm 和89.4 mm,底鼓增量隨跨度增長較??；但采場跨度增至5 m 時,底鼓最大值增至101.1 mm；跨度增至6 m 時,底鼓最大值增至110.3 mm。 可以得出,跨度增加會導致底鼓更嚴重,在實際生產(chǎn)中需加強底板支護、縮短底板暴露時間來保障安全生產(chǎn)。

圖4 不同采場跨度下垂直方向位移分布云圖

3.3 塑性區(qū)分析與比較

圖5 給出了不同采場跨度下采場剖面塑性區(qū)分布云圖。 分析比較后可以得出:①采場四周開挖之后均出現(xiàn)不同程度的塑性區(qū),兩幫塑性區(qū)范圍并沒有隨跨度增加出現(xiàn)變化,但頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍有所擴大。 可以看出采場跨度加大,頂?shù)装灏l(fā)生破壞的幾率也隨之增加,實際生產(chǎn)中要考慮頂?shù)装宓谋Ｗo措施。 ②跨度3 m 的采場其塑性區(qū)表現(xiàn)為shear-p,表明周邊圍巖曾進入屈服階段,但沒有破壞；跨度4 m 的采場頂板表現(xiàn)為tension-p,范圍較小,表明頂板仍存在失穩(wěn)的風險,實際生產(chǎn)中需加強頂板支護；當采場跨度增加到5 m和6 m 時,采場周邊圍巖表現(xiàn)為shear-n,即正處于剪切破壞狀態(tài),表明采場已失穩(wěn)。

圖5 不同采場跨度下塑性區(qū)分布云圖

4 結(jié) 論

針對湘西金礦沃溪礦區(qū)深部采場穩(wěn)定性差、頂板冒落等高地應(yīng)力問題,基于ANSYS-FLAC3D建立采場三維數(shù)值模型,對不同跨度采場進行了開挖數(shù)值模擬,從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)變化進行分析對比,可得出:

1) 當采場跨度為5 m 和6 m 時,采場周邊圍巖已經(jīng)發(fā)生剪切破壞或拉伸破壞,同時頂板的應(yīng)力集中呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài),且范圍較小,說明采場在該跨度下實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)冒頂、大面積垮塌等災(zāi)害性地壓現(xiàn)象。

2) 頂板沉降量隨跨度加大而增大,當把采場跨度從4 m 提高到5 m 時,頂板沉降量出現(xiàn)大幅度增加,說明跨度5 m 和6 m 的采場在開挖過程中頂板可能已發(fā)生破壞；底鼓最大值與跨度正相關(guān),實際生產(chǎn)中應(yīng)強化開采,減少底板暴露時間,同時加強底板支護。

3) 加大采場跨度可減少采準切割工程量、提高采礦效率。 為了實現(xiàn)深部采場安全高效生產(chǎn),在保證采場穩(wěn)定性的同時將采礦效率最大化,故采場跨度的最優(yōu)值為4 m。