地下臺(tái)階式礦柱安全性的數(shù)值模擬研究

陳禮石，雷 濤

(1.化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410116；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

地下臺(tái)階式礦柱安全性的數(shù)值模擬研究

陳禮石1，雷 濤2

(1.化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410116；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

根據(jù)杉樹(shù)埡磷7盤(pán)區(qū)的工程實(shí)際，提出了可適應(yīng)礦體賦存條件的臺(tái)階式礦柱方案，基于細(xì)觀損傷力學(xué)理論，利用RFPA軟件對(duì)臺(tái)階式礦柱的安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，臺(tái)階式礦柱可以保證礦房的安全，礦房頂板圍巖的最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度；隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，礦柱中的壓應(yīng)力增大，損傷也隨之增加，但這些破壞僅發(fā)生在局部，對(duì)礦柱整體的安全性影響不大；臺(tái)階式礦柱具有常規(guī)礦柱相同的功能，且能提高礦石的回收率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

臺(tái)階式礦柱；細(xì)觀損傷；數(shù)值模擬；安全性

0 引 言

在地下采礦中，留下一定規(guī)格和數(shù)量的礦柱以保證采礦空間的安全是一種常用的方法[1]。因此，礦柱穩(wěn)定性的研究歷來(lái)就是采礦工作者們關(guān)注的熱點(diǎn)，并對(duì)比開(kāi)展了卓有成效的研究。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)礦柱，在保證安全的情況下盡量提高礦石的回收率也是設(shè)計(jì)者們面臨的重要課題，并在實(shí)際工程中取得了一定的效果。

但是，在這些研究中，礦柱的組成巖性和形式通常都是比較均勻的，而對(duì)橫截面形狀或巖性變化較大的礦柱的研究較為缺乏。為此，本文以實(shí)際工程為例，引入細(xì)觀有限元分析軟件RFPA，對(duì)巖性和橫截面形狀均存在差異的地下臺(tái)階式礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過(guò)與傳統(tǒng)礦柱模擬結(jié)果的對(duì)比，指出這種礦柱的適用條件。

1 臺(tái)階礦柱概況

1.1 工程背景

杉樹(shù)埡磷礦位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)，是一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)量150萬(wàn)t的大型地下磷礦山。目前主要的開(kāi)采礦體為緩傾斜礦體，傾角一般為3°～10°，平均6°。根據(jù)礦體賦存條件及開(kāi)采技術(shù)條件，主要采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦的盤(pán)區(qū)房柱法進(jìn)行采礦。

但是，礦山7盤(pán)區(qū)的礦體厚度變化較大，并且礦體分布沒(méi)有明顯的規(guī)律性，頂板較破碎，穩(wěn)定性較差，且在厚度較大的地方，礦石品位很不均勻，表現(xiàn)出明顯的上層為富礦(中磷層)下層為貧礦(下貧礦)的特征。為了盡可能地回收資源，要求中磷層和下貧礦分開(kāi)回采，實(shí)現(xiàn)貧礦與富礦分采分運(yùn)，并提出了臺(tái)階式礦柱的方案。

1.2 臺(tái)階礦柱的形式

7盤(pán)區(qū)礦體中，中磷層的平均厚度約為6 m，下貧礦的平均厚度約為5 m，典型的臺(tái)階式礦柱如圖1所示。

圖1 臺(tái)階式礦柱的形式

由圖1可知，臺(tái)階式礦柱主要是為了多采富礦，提高資源回收率，故礦柱呈現(xiàn)為下部大上部小的形式。在圖1中，上部礦柱的截面尺寸為5×5 m2，下部礦柱的截面尺寸為6×6 m2。

可見(jiàn)，與截面為6×6 m2的均勻礦柱相比，圖1所示的臺(tái)階式礦柱可多回收66 m3的高品位礦石。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

對(duì)保證生產(chǎn)活動(dòng)的安全進(jìn)行而言，礦柱自身的穩(wěn)定性具有非常重要的作用，在此對(duì)臺(tái)階式礦柱的穩(wěn)定性及相應(yīng)采場(chǎng)的安全性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)所采用的采礦方法和臺(tái)階式礦柱的布置特點(diǎn)，數(shù)值模擬采用幾何模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算幾何模型

圖2中，考慮到礦體傾角較小，為計(jì)算簡(jiǎn)便，假定礦體的傾角為0°。同時(shí)為了更好地研究礦柱在生產(chǎn)過(guò)程的安全性，對(duì)圖2中的礦房按3步驟開(kāi)挖，即先開(kāi)挖中間礦房，再開(kāi)挖左側(cè)礦房，最后開(kāi)挖右側(cè)礦房。

根據(jù)礦體的賦存情況，取礦體埋深為400 m，即通過(guò)在數(shù)值模型的上部添加4×2.7 MPa的均布荷載反應(yīng)豎直方向地應(yīng)力的情況。同時(shí)在模型底部邊界上添垂直方向的位移約束，在兩個(gè)側(cè)面邊界均添加垂直該面的位移約束。

模擬采用RFPA軟件進(jìn)行，該軟件基于細(xì)觀損傷力學(xué)，可直觀地模擬巖體材料中裂隙的產(chǎn)生和演化規(guī)律[2]。

巖體的破壞采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)判定，初始巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 初始巖體力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力分析

圖3 采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力變化曲線(xiàn)

在地下采礦中，采場(chǎng)頂板會(huì)發(fā)生由受壓向受拉轉(zhuǎn)變，其破壞形式一般也以受拉破壞為主。圖3即為在開(kāi)挖過(guò)程中，采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力的變化曲線(xiàn)。

由圖3可知，采場(chǎng)頂板中拉應(yīng)力隨著開(kāi)采范圍的增加而不斷增大，但最大值也僅在3.5 MPa左右，遠(yuǎn)小于上盤(pán)圍巖的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明在臺(tái)階式礦柱的支撐作用下，采場(chǎng)頂板圍巖不會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的塌落。

3.2 礦柱中的最大壓應(yīng)力

在礦房的形成過(guò)程中，礦柱的整體破壞主要由壓應(yīng)力來(lái)控制，礦柱中的最大壓應(yīng)力變化情況如圖4所示。

圖4 礦柱中的最大拉應(yīng)力變化曲線(xiàn)

由圖4可知，礦柱的最大壓應(yīng)力隨開(kāi)采的進(jìn)行而逐漸增大，說(shuō)明在礦體開(kāi)采過(guò)程中，壓力不斷向礦柱轉(zhuǎn)移和集中，礦柱對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性具有明顯的支撐作用。同時(shí)值得注意的是，雖然仍保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但第3時(shí)步時(shí)礦柱內(nèi)最大壓應(yīng)力的增長(zhǎng)率有減小的趨勢(shì)。

在完成3個(gè)開(kāi)挖時(shí)步后，礦柱內(nèi)的壓應(yīng)力達(dá)到最大值，最大壓應(yīng)力達(dá)到23.7 MPa，但仍遠(yuǎn)小于礦體的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明礦柱發(fā)生整體破壞的可能性很小，是滿(mǎn)足采礦生產(chǎn)安全需求的。

3.3 礦柱的細(xì)觀損傷特征

如前所述，RFPA軟件是基于細(xì)觀損傷力學(xué)的原理開(kāi)發(fā)出來(lái)的，因此在本模擬中可以通過(guò)裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展直觀地展示礦柱的損傷破壞情況。礦柱隨開(kāi)挖時(shí)步的細(xì)觀損傷變化特征如圖5所示。

圖5展示了第1到第3開(kāi)挖時(shí)步中每個(gè)礦房形成過(guò)程中礦柱中損傷變化情況。由圖5可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，礦柱及其礦房附近圍巖中的裂隙越來(lái)越多，但這些裂隙還是主要出現(xiàn)在最后形成的礦柱中，這說(shuō)明礦柱承受了最主要的地應(yīng)力轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致在礦柱中出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力集中。

值得注意的是，兩個(gè)礦柱的破壞情況并不完全一致，左側(cè)礦柱中裂隙數(shù)量和范圍明顯比右側(cè)礦柱要大，這說(shuō)明礦柱的損傷特征與礦房的開(kāi)挖順序有一定的關(guān)聯(lián)，先形成的礦柱將比后形成的礦柱承擔(dān)更大的壓力。但是，從圖5(c)中可知，盡管兩個(gè)礦柱中均有損傷破壞的情況產(chǎn)生，但這些破壞僅發(fā)生在局部范圍，且在臺(tái)階式礦柱的上部破壞情況明顯比下部要小，這說(shuō)明礦柱是安全的，臺(tái)階式礦柱可以同均勻礦柱一樣，足以保證采礦生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

4 結(jié) 論

根據(jù)杉樹(shù)埡磷礦7盤(pán)區(qū)礦體的實(shí)際情況，提出了留臺(tái)階式礦柱的盤(pán)區(qū)房柱法進(jìn)行采礦，并利用RFPA軟件對(duì)礦柱的安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

(1) 模擬結(jié)果顯示，臺(tái)階式礦柱可以保證采場(chǎng)的安全，礦房頂板的最大拉應(yīng)力及礦柱內(nèi)部的最大壓應(yīng)力均遠(yuǎn)小于巖體本身的強(qiáng)度；

(2) 隨著開(kāi)挖時(shí)步的推進(jìn)，礦柱中的最大壓應(yīng)力和損傷情況均增加，表明礦柱發(fā)揮了支撐作用，承受了轉(zhuǎn)移的地應(yīng)力，且礦柱的破壞情況與礦房的開(kāi)挖順勢(shì)存在一定的關(guān)聯(lián)；

圖5 礦柱的細(xì)觀損傷變化特征

(3) 臺(tái)階式礦柱具有同常規(guī)礦柱同樣的功能，對(duì)一些礦體品位出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象的礦體具有較強(qiáng)適用性，在設(shè)計(jì)合理的前提下，可以在滿(mǎn)足采礦生產(chǎn)安全的同時(shí)提高礦石的回收率。

[1]古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開(kāi)采科學(xué)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2]梁正召，唐春安，張永彬，等.巖石直接拉伸破壞過(guò)程及其分形特征的三維數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(7)：1402-1410.

2014-07-11)

陳禮石(1979-)，男，湖南臨武人，工程師，主要從事礦山設(shè)計(jì)工作，Email：43612618@qq.com。