不同回采速率下深埋礦柱的動態(tài)穩(wěn)定性分析

韓華燁，周志偉，嚴 鵬

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室，湖北 武漢 430072； 3. 鞍山五礦陳臺溝礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051)

深埋礦山最常使用的回采方法是房柱法或房柱嗣后充填采礦的方法[1]，開采時，通過預(yù)留礦柱支撐頂部巖體以保證采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。然而，隨著淺層礦山資源的枯竭，采礦已經(jīng)逐漸向深部發(fā)展[2]，進而暴露出動力破壞乃至強沖擊地壓等新問題[3]，采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更加難以保證。合理的回采方式選擇已經(jīng)成為深埋礦山開采的焦點問題，開展相關(guān)研究將具有重要的理論意義和工程價值。

國內(nèi)外學者針對礦柱穩(wěn)定性分析進行了大量的研究工作。如張紹周等[4]基于壓力拱理論建立了礦柱-頂板破壞模型，分析了大紅山鐵礦空區(qū)礦柱的穩(wěn)定性，并優(yōu)化了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；王昱凱[5]等利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，通過巖石穩(wěn)定性評價和類比法分析，提出了對礦柱底部巷道的穩(wěn)定性對策措施；龐奇志等[6]根據(jù)礦柱回收開采期間的安全監(jiān)測反饋結(jié)果，指導(dǎo)了后續(xù)充填工作，有效控制了采場內(nèi)的地壓。然而，這些工作都是基于靜態(tài)計算展開研究的，忽視了礦體回采礦柱形成這一過程的動態(tài)開挖效應(yīng)。Li等曾在文獻[7]指出，采場預(yù)留礦柱的穩(wěn)定性分析不能忽視爆破擾動和卸荷擾動等動態(tài)擾動影響，在高地應(yīng)力條件下，這種作用更強，將嚴重影響采場的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[7]。目前，關(guān)于礦柱受動態(tài)擾動的研究較少且不夠深入，礦體回采速率(也即礦柱形成時間)這一因素的影響也經(jīng)常不被考慮，基于此，本文開展了相關(guān)的研究工作。

本文將依托陳臺溝鐵礦地下開采工程，基于三維有限差分計算平臺FLAC3D，建立礦體回采過程的數(shù)值計算模型，重點研究了不同回采速率對礦柱結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響，可為同類工程提供簡要的參考。

1 工程概況

陳臺溝鐵礦埋深均在-650 m以下，最大埋深達到1 900 m，屬深井開采礦山。礦床共有5條礦體，設(shè)計礦體以Fe1為主，為減少早期投資、縮短基建時間，最大化礦山效益，計劃采用分期開挖方案，一期開采-1 020 m以上礦體根據(jù)其可行性研報告推薦，礦山主要采用大直徑的深孔空場嗣后充填采礦的方法開采，在高地應(yīng)力環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性管理困難。主要礦塊采用盤區(qū)布置，盤區(qū)沿礦體走向布置，長度140 m，礦房平面尺寸為20 m×80 m，礦體厚度在50～80 m之間[8]。

綜上，陳臺溝礦體埋藏較深、地應(yīng)力水平較高，深部高地應(yīng)力條件下開挖誘發(fā)的松弛變形、地應(yīng)力卸荷破壞(巖爆)等都將使采場礦房礦柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全管理等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

2 數(shù)值計算方法

2.1 有限元計算模型的建立

根據(jù)陳臺溝采礦方法方案，參照礦山單盤區(qū)布置方法建立礦體回采的三維有限元計算模型，擬定礦房礦柱尺寸為20 m×80 m×50 m(寬×高×厚)，為了減弱單元與邊界的反射效應(yīng)，數(shù)值計算模型在礦房礦柱模型四周擴大，左、右、上、下各延伸50 m，并于礦柱中心及頂部位置設(shè)置了監(jiān)測點，用于監(jiān)測動態(tài)開挖過程中礦柱關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況，如圖1所示。單元總數(shù)576 000個，節(jié)點數(shù)594 711個。

圖1 有限元計算模型

為模擬真實賦存環(huán)境，模型底部采用全約束，側(cè)面采用法向約束。應(yīng)力邊界采用真實的三維應(yīng)力場，模型頂部施加21 MPa的地應(yīng)力，水平向最大主應(yīng)力25.2 MPa與軸線平行，最小主應(yīng)力為22.32 MPa。由于礦柱的破壞形式以剪切破壞為主，故數(shù)值模擬中常采用Mohr-Coulomb屈服準則來模擬巖體的屈服特性[5]。開采盤區(qū)采用鐵礦石來模擬，經(jīng)實驗室測試，其材料參數(shù)的取值可見表1。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)取值

2.2 控制應(yīng)力釋放法

礦體崩落回采礦柱形成這一動態(tài)過程實質(zhì)也是挖出礦體不再支撐頂板圍巖的卸荷過程，模擬這一過程借助一種特別的模擬方法：控制應(yīng)力釋放法，就是求得開挖前開挖邊界處開挖體對圍巖的支撐力(開挖掉開挖體單元后，相應(yīng)的支撐力隨即消失)重建這一支撐力，然后控制其按照不同的卸荷時間進行釋放，從而達到分析的目的，這一方法在許多工程的模擬中得到應(yīng)用，并取得較好成效[9]。

利用FISH語言編制了應(yīng)力釋放程序，首先在靜力計算模式下賦予模型初始地應(yīng)力場，計算平衡后位移速度清零，之后模擬礦體開挖只計算第一步，提取開挖邊界節(jié)點ID號及不平衡力(三向節(jié)點力)，在動力模塊下將其按照如圖2所示的卸載路徑施加在礦房邊界節(jié)點并進行動力計算，同時監(jiān)測礦柱關(guān)鍵點應(yīng)力變化等反映礦柱動態(tài)響應(yīng)的參量變化。

圖2 支撐力卸載路徑

3 數(shù)值計算結(jié)果

為了研究不同回采速率下礦柱的動態(tài)響應(yīng)，計算了礦體崩落出礦歷時td分別為10、20 ms和50 ms的情況，并歸納總結(jié)其各自對應(yīng)的監(jiān)測點應(yīng)力變化、礦柱最終變形以及塑性區(qū)破壞分布情況。

3.1 礦柱監(jiān)測點應(yīng)力變化

圖3和圖4給出了不同回采速率下礦柱體關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況。在礦體回采礦柱形成后，受開挖卸荷作用的影響，礦柱體內(nèi)部產(chǎn)生了變化的應(yīng)力場，不管是最大主應(yīng)力還是最小主應(yīng)力，都存在一個瞬態(tài)急劇變化，之后逐漸穩(wěn)定到平衡值。

圖3 礦柱最大主應(yīng)力變化

圖4 礦柱最小主應(yīng)力變化

進一步由圖3(a)可知，對于礦柱核部位置，礦體的回采還會引起礦柱內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，其大小隨著回采所需時間的增大而減小，10 ms時對應(yīng)的最大拉應(yīng)力為2.34 MPa，20 ms時對應(yīng)的最大拉應(yīng)力為0.98 MPa，50 ms時對應(yīng)的最大拉應(yīng)力為0.76 MPa。由圖3(b)可知，對于礦柱頂部，礦體的回采還會引起礦柱頂部應(yīng)力值的激蕩變化，應(yīng)力大小變化幅度隨著崩落出礦所需時間的增大而減小，采用10、20 ms以及50 ms的回采時間下，礦柱頂部最大主應(yīng)力大小的變化情況分別對應(yīng)為6.54、5.37、3.05 MPa。

圖4反映了礦體回采礦柱形成過程中礦柱關(guān)鍵部位的最小主應(yīng)力變化情況。不難發(fā)現(xiàn)，相較于礦柱頂部位置，礦柱核部最小主應(yīng)力變化幅度更大，采用10、20 ms以及50 ms的回采時間下，其最小主應(yīng)力的變化大小分別為12.40、10.97 MPa和9.86 MPa。對于礦柱頂部，10、20 ms以及50 ms對應(yīng)的最小主應(yīng)力的變化大小分別為6.07、5.84 MPa和5.33 MPa。

3.2 礦柱變形情況

圖5和圖6給出了不同回采速率下礦柱體的水平和豎直變形情況。由圖5可知，在礦體回采礦柱形成后，礦柱體產(chǎn)生了一定程度的水平變形，最大水平變形發(fā)生在礦柱兩側(cè)邊墻的中心位置。隨著回采時間的變化，礦柱最大水平變形量沒有明顯的變化，10、20 ms以及50 ms對應(yīng)的最大水平變形大小分別為8.93、8.85 mm和8.56 mm。

圖5 礦柱水平變形

圖6反映了礦體回采礦柱形成后，礦柱體的豎向變形情況。可知，礦柱體產(chǎn)生了自下而上逐漸增大的豎向變形，底部變形最小，頂部變形最大。三種崩落出礦所需時間對應(yīng)的礦柱最大豎向變形沒有明顯差異，其對應(yīng)的最大水平變形大小分別為38.77、38.73 mm和38.56 mm。

圖6 礦柱豎向變形

3.3 塑性區(qū)破壞分布

礦體回采礦柱形成的過程中，由于受到二次動態(tài)應(yīng)力場變化的強烈作用，不可避免地會在礦柱體內(nèi)部出現(xiàn)一定程度的塑性破壞區(qū)域。由圖7可知，隨著崩落出礦時間的增大，礦柱內(nèi)部產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)范圍越來越小，10、20 ms以及50 ms對應(yīng)的礦柱塑性區(qū)面積大小分別為1 344、704、192 m2。

圖7 塑性區(qū)破壞分布對比

3.4 不同回采時間下的動力擾動作用影響

統(tǒng)計采用不同回采速率下的礦柱動態(tài)響應(yīng)特征值如表2所示。

表2 計算結(jié)果統(tǒng)計

由表2可知，當回采速率越快(也即崩落出礦所需時間的越小)，礦柱中主應(yīng)力變化幅度，礦柱最終水平、豎直變形量以及因應(yīng)力動態(tài)調(diào)整作用所形成的的塑性破壞范圍均越大，說明相同的尺寸參數(shù)設(shè)計的情況下，控制回采速率對于保護礦柱的穩(wěn)定性具有重要意義，在生產(chǎn)中應(yīng)在考慮炸藥參數(shù)、生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上盡可能延長礦體回采所需時間。當采用50 ms開挖時，動態(tài)響應(yīng)程度已經(jīng)較小，礦柱穩(wěn)定性情況較好，在生產(chǎn)中可予以采用。

4 結(jié) 語

本文依托于陳臺溝地下采礦工程，針對深埋礦山礦柱體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全這一問題，采用數(shù)值模擬的方法，研究分析了不同回采速率下礦柱體的動態(tài)響應(yīng)，結(jié)論總結(jié)如下。

1)隨著礦體崩落礦柱形成所需時間的增大，礦柱體受瞬態(tài)開挖作用而產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)程度有所減小，具體可表現(xiàn)為動態(tài)主應(yīng)力變化幅度、礦柱最大水平、豎向變形量以及塑性破壞區(qū)域的減小。在生產(chǎn)實際中，應(yīng)盡可能延長礦體崩落出礦所需時間。

2)根據(jù)數(shù)值模擬對10、20 ms以及50 ms三種不同崩落時間下的陳臺溝地下采場礦柱穩(wěn)定性的分析可知，50 ms情況對應(yīng)的礦柱穩(wěn)定性最好，建議在生產(chǎn)中可予以采用。