凡口礦分層回采采場穩定性數值模擬研究

彭洪珍,劉曉明

(1.蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

凡口礦分層回采采場穩定性數值模擬研究

彭洪珍1,劉曉明2

(1.蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

綜合運用繪圖軟件 CAD和有限元數值模擬軟件 Phase2,結合凡口礦 N2采場實際,研究形成了一種采場上向分層回采穩定性數值模擬方法。根據 N2采場空間位置確定了數值模型范圍,建立了復雜的采場分層回采前處理模型,將模型導入到 Phase2中,經屬性賦值、網格劃分及定義邊界條件后,形成數值計算模型,按采場實際回采次序分 13步進行了采場回采模擬,揭示了N2采場分層回采過程中應力、位移的變化趨勢,研究結果為礦山優化類似采場結構參數和地壓控制提供了可靠的理論依據。

上向水平分層充填采礦法;有限元;采場穩定性;數值模擬

凡口礦是我國超大型鉛鋅礦床之一,目前開拓深度達 900 m,已進入深部開采[1]。根據礦體賦存狀態及開采技術條件,礦山主要采用上向水平分層充填法開采,對厚大礦體 (30～50 m),一般按垂直礦體走向布置采場,即采場長度為礦體厚度,采場寬度為 8～10 m。上向分層回采中,隨著采場的分步回采,并以膠結或非膠結充填體及時充填空區,采場的幾何形狀和介質不斷發生變化,致使采場周圍應力場和位移場也不斷變化,因此,研究分層回采采場穩定性,對于指導采場安全回采具有重要的現實意義[2～6]。

Phase2是一個有限元軟件,該軟件在網格劃分、后處理等方面具有獨特優勢,尤其適合采場開挖過程模擬[7～9]。本文采用 Phase2數值模擬軟件,針對凡口礦N2采場實際情況,分別模擬采場在分層回采過程中的采場應力、位移變化情況,為礦山優化類似采場結構參數和地壓控制提供可靠的理論依據。

1 模型構建

1.1 采場概況

凡口礦獅嶺 N2采場為礦房采場,設計回采高度為 80 m,跨 2個中段,標高從 -320 m到 -240 m,單次分層回采高度為 3.5 m,采一層充一層,充填時膠面高為 1 m。采場底柱高為 8 m,鋪底高為 6 m,鋪底高度分兩次開挖,每次 3 m,采場目前已經完成拉底,并回采至 -292 m水平。

1.2 模型范圍確定

在研究采場爆破設計剖面和采場在各中段水平平面位置的基礎上,綜合考慮數值模擬中對數值計算模型范圍大小的要求,確定采場的數值模型范圍見表1。

表1 分析計算模型坐標范圍

1.3 數值計算前處理模型構建

盡管 Phase2自帶有建模功能,但對含有復雜回采、充填邊界的模型,難度極大。因此,充分運用Phase2能導入 dxf文件的功能,根據凡口礦采場回采剖面圖建立數值計算前處理模型,步驟如下:

(1)N2采場為礦房采場,根據礦房采場回采和充填具體要求,建立采場分層回采及充填模型;

(2)根據計算模型范圍,建立 N2采場之外的其他采場或未回采礦體模型;

(3)建立數值計算模型外邊界;

(4)根據 Phase2對導入 dxf文件中線圖層的要求,分別將開挖邊界、材料邊界和計算模型外邊界置于不同的圖層中[8];

(5)將文件保存為 dxf格式文件,再導入 Phase2中,完成N2采場分層回采數值計算前處理模型的構建,結果見圖1。

2 數值計算模型構建

2.1 力學參數

圖1 N2采場分層回采數值計算前處理模型

根據凡口礦 N2采場地質特征和工程特點,力學介質有充填體 (膠結、膠面和鋪底 3種)、圍巖和礦體等 5種。礦巖力學參數是在室內試驗獲取的基礎上,結合巖體結構特征及分級指標,經工程處理后綜合選取的[9],最后獲得本次模擬計算所需的巖體力學參數,見表2。

表2 凡口礦 N2采場巖體力學參數

2.2 數值計算模型

在所建 N2采場分層回采數值計算前處理模型的基礎上,選用三角形對模型進行網格劃分,并對模型四周邊界施加 X、Y全約束,選擇莫爾 -庫侖破壞準則[10],材料屬性按表2進行賦值,建立的數值計算模型見圖2。根據采場回采方式分 13步進行模擬,分別模擬采場 12個分層的回采與充填。

圖2 N2采場分層回采數值計算模型

3 結果分析與討論

3.1 應力變化特征分析

考慮到 N2采場分層數目較多,因此,選取幾個典型分層回采模擬結果進行顯示,采場分布開挖最大主應力變化趨勢見圖3,采場分布開挖最小主應力變化趨勢見圖4。

圖3 采場分布開挖最大主應力變化趨勢

第 1步:該步模擬開挖 3.5 m后采場周圍的應力變化情況。最大主應力集中在采場頂板的端角處 ,σ1為 40MPa左右 ,最大值 42MPa,頂板的σ1值范圍為 14～25MPa,底板σ1值范圍為 0～4MPa,沒有出現拉應力;最小主應力多集中在采場兩幫的端角處,大小為 12 MPa左右,最大值 14 MPa,頂板的σ3值范圍為 0～13 MPa,底板σ1值范圍為 -0.6～2.66 MPa,膠面充填體上出現有拉應力。

圖4 采場分布開挖最小主應力變化趨勢

第 2步至第 11步:每次回采高度均為 3.5 m,分層回采后,兩個主應力變化趨勢相似,每次回采后采場及時進行了充填,使得采場底板處的最大主應力基本穩定在 0～1 MPa,最大主應力多集中在采場頂板的端角處。隨著開挖高度的增加,σ1也隨著增加,直到回采上中段底柱時出現最大值 60 MPa;最小主應力多集中在采場頂板的端角處,最大值為 16 MPa,頂底板的σ3值范圍為 -0.6～5 MPa,局部出現拉應力,最大值為 0.6 MPa,小于礦體或膠面充填體的抗拉強度,采場保持穩定。

第 12步:該步模擬回采上中段的底柱。由于底柱以上均為充填體,最大主應力集中在采場頂板的端角處,σ1為 15 MPa左右,最大值為 22 MPa,頂板的σ1值范圍為 0～2 MPa,底板σ1值范圍為 0～3 MPa,沒有出現拉應力;最小主應力多集中在采場兩幫的端角處,σ3為 4 MPa左右,頂底板的σ3值范圍為 -0.29～3MPa,局部出現拉應力。由于底柱回采時沒有接頂,底板出現拉應力,最大值為 1.95 MPa,大于充填體的抗拉強度,充填體發生冒落,并可能充滿充填未接頂留下的間隙。

第 13步:該步模擬整個采場回采充填完成。該步完成后應力集中的現象得到了緩解,對回采周圍采場起到了重要的作用。在現有的充填條件下,很難做到完全接頂,通常留有 0.5～0.6 m的間隙,隨著頂板位移增加,應力發生變化,頂板將出現拉應力,可能造成頂板冒落。

3.2 位移變化特征分析

N2采場回采從下往上依次進行,隨著回采水平逐步上升,采場周圍的位移不斷發生變化,回采后的采場頂底板,位移主要以垂直位移為主,采場側壁則以水平位移為主。圖5和圖6分別為采場部分分層回采引起的水平和垂直向位移分布變化圖。

圖5 采場分布開挖水平位移變化趨勢

圖6 采場分布開挖垂直位移變化趨勢

第 1步:兩幫以水平位移為主,由于開挖的高度只有 3 m,水平初始應力為垂直重力的 1.1倍,產生了 0～2 mm的位移;頂底板則以垂直位移為主,其中頂板最大位移為 1 mm,底板最大位移為 2.2 mm。

第 2步至第 11步:分層回采過程中,底板垂直位移基本保持穩定,最大值為 8 cm,位于采場底板中心;頂板垂直位移也基本穩定,最大值為 4 mm,左邊的 N3采場由于充填沒有接頂,在回采到 11步時,也出現了 1～3 cm的垂直位移。采場側壁的水平位移則隨著回采的逐步向上,變化較大,呈遞增趨勢,至第 11步水平位移達到最大值 4 cm,主要在采場的左邊。

第 12步:由于底柱以上都是充填體,該步回采完成后頂板的位移突然劇增,最大值為 23 cm,底板位移還是保持在 8 cm左右,N3采場頂底板垂直位移也由原來的 3 cm增加到 6 cm;水平位移最大值出現在頂板上的充填體內,最大值為 6 cm。

第 13步:該步為整個采場充填接頂,主要為控制采場頂板位移,模擬結果來看,頂底板的垂直位移有所下降,驗證了采場充填后的效果。

4 結 論

綜合運用 CAD繪圖工具和有限元數值模擬軟件 Phase2,結合凡口礦 N2采場實際,研究形成了一種采場分層回采穩定性數值模擬方法,獲得以下結論:

(1)利用 CAD建立數值分析前處理模型,再導入 Phase2形成數值計算模型,實現了復雜模型的構建,節省了建模時間,提高了模型的準確度。

(2)根據 N2采場實際回采次序,分別模擬了該采場分層回采、充填過程中采場頂底板、側壁充填體的應力及位移變化情況。數值模擬結果表明,在回采上中段底柱之前,最大、最小主應力均在礦體、圍巖和充填允許范圍內,開采滿足安全要求;但在回采上中段底柱時,最小主應力達到了 -1.95 MPa,大于充填體的抗拉強度,充填體發生垮塌,為預防事故發生,在回采底柱時應該采取相應的防治措施,比如底柱分層高度降低至 1.5 m,或分兩次爆破,每次寬4 m。

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2010-05-31)

彭洪珍 (1978-),男,江西宜春人,助理工程師,主要從事礦山開采設計與安全管理工作。