基于ABAQUS數值模擬的下向進路斷面優選

摘要：下向進路合理斷面的確定是下向進路充填采礦法安全經濟高效開采的關鍵。為得到下向進路最優斷面，文章以山東某金礦為工程背景，采用有限元軟件ABAQUS建立了下向進路鋼筋網充填體混合模型，并對18種進路斷面的塑性區、頂板最大沉降位移以及最大拉應力進行了分析。結果表明，巷道優選斷面為3.0m（高度）×3.4m（寬度），工業試驗表明該方案實現了下向進路法安全經濟高效開采。

關鍵詞：ABAQUS；數值模擬；下向進路；進路斷面；塑性區；充填采礦法

中圖分類號：TD263 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0130-02

隨著無軌自行設備在地下金屬礦山的推廣應用，下向進路膠結充填采礦法以其回收率高、貧化損失小、回采強度大等顯著優勢，進入現代化采礦技術之列，而下向進路合理斷面的確定是下向進路充填采礦法安全經濟高效開采的關鍵。下向進路斷面受鋼筋網性能、承載層厚度、進路寬度、進路高度、充填體泊松比、進路側幫彈模和承載層彈模等多參數影響，顧偉、OHearn B等采用“薄板”和“簡支梁”模型對下向進路斷面進行了優選，但該類方法對下向進路作了大量簡化，其結果可靠性較差；周科平、馮仲仁分別對下向進路進行了相似模擬實驗和現場位移監測，此類方法效果較好，但存在周期長、成本高的缺陷。

1 工程概況

1.1 工程背景

山東某金礦礦體走向NE30°～60°，傾向SE，傾角54°～86°，平均厚度8.87m，平均品位4.96g/t。礦體極破碎，礦巖穩固性極差，為此礦山采用盤區下向多進路回采方式、下盤脈外斜坡道+分段運輸平巷采準系統、無軌設備鑿巖出礦及C料尾砂膠結充填技術，采礦工藝水平先進，而與之相適應的進路斷面亟待確定。

1.2 材料力學參數

通過對該礦區礦巖取樣測試、充填體強度試驗及查

找鋼筋規范，得出該礦區礦巖、充填體和鋼筋力學參數。

2 ABAQUS數值模型及方案

2.1 數值模型

由現場生產知進路長度遠大于進路寬度和高度，故模型可采用平面應變有限元分析，回采時采用隔一采一的方法，同時開采2～3條進路，典型的情況為每次掘進時進路的頂部、左側和右側為充填體，進路底部為未開挖礦體，進路頂板鋪設金屬網，金屬網橫筋為主要受力構件，按300mm間距布置，因此指定平面應變厚度為0.3m，布置一根橫向鋼筋Φ12mm。

2.2 數值方案

本次模擬采用三個分步進行：第一步，加載礦區地應力（取埋深600m）；第二步，加載1∶10和1∶4充填體自重引起的均布荷載；第三步，開挖進路，移除進路所在位置的單元。按照該礦區現有生產水平，選取進路寬度為2.6m、2.8m、3.0m、3.2m、3.4m和3.6m，進路高度為2.8m、3.0m和3.2m的18種組合進行研究。

3 結果分析

3.1 塑性區分析

由進路塑性區變形可知進路頂板塑性區主要發生在進路左、右尖角處，這是由應力集中造成的；進路兩幫塑性區變形是由于進路側幫充填體的彈性模量較小，與金屬網接觸部位受到較大壓力所致。進一步分析，將各種方案的頂板及兩幫塑性區發展情況匯總。可知頂板均未出現塑性區貫通現象，因此只考慮兩幫塑性區貫通情況，以（高度，寬度）表示，可選工況有（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（2.8，3.6）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）、（3.2，3.4）、（3.2，3.6）。

3.2 最大沉降位移分析

進路頂板最大沉降位移可知進路高度為2.8m、3.0m時，頂板最大位移幾乎相同，而進路高度為3.2m時，最大沉降高于二者；進路寬度為2.8～3.4m時，進路頂板最大位移變化較小，因此選擇進路高度2.8～3.0m、寬度2.8～3.4m時的工況為合理值。

3.3 最大拉應力分析

各工況下人工假頂內充填體最大主拉應力均小于0.1MPa，不會出現拉應力破壞，故只考慮鋼筋最大主拉應力，鋼筋最大主拉應力往往出現在開挖進路的兩幫位置，進路高度3.0m是鋼筋最大主拉應力增強的轉折點，目前鋼筋的受力遠未達到其200MPa的抗拉強度設計值，不會出現拉應力破壞。綜上分析知工況（2.8，3.0）、（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）在力學上是合理的優選方案。考慮到礦山開采效率，宜采用斷面較大者，故最終選取3.0m（高度）×3.4m（寬度）作為優選斷面。現場工業試驗表明，該方案實現了下向進路充填采礦法安全經濟高效開采。

4 結語

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了下向進路鋼筋網充填體混合模型，并對18種進路斷面的塑性區、頂板最大沉降位移以及最大拉應力進行分析，得到如下結論：（1）進路頂板塑性區主要發生在進路左、右尖角處，但未出現貫通現象，進路兩幫塑性區變化較大，可能出現貫通現象，威脅礦山安全；（2）進路高度為2.8m與3.0m時，頂板最大位移幾乎相同，而進路高度為3.2m時，最大沉降高于二者，進路寬度為2.8～3.4m時，進路頂板最大位移變化較小；（3）各工況下人工假頂內充填體最大主拉應力均小于0.1MPa，且鋼筋最大主拉應力遠未達到其抗拉強度允許值200MPa，不會出現拉應力破壞；（4）綜合18種進路斷面的塑性區、頂板最大沉降位移以及最大拉應力進行分析，選取3.0m（高度）×3.4m（寬度）作為優選斷面，實現了下向進路充填采礦法安全經濟高效開采。

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作者簡介：王志強（1972-），男，山西晉中人，晉中市煤炭工業局礦業工程師，研究方向：采礦技術管理。endprint