無底柱分段崩落法崩落體狀態(tài)的數(shù)值模擬研究

高常勝，溫彥良

(1.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)公司弓長嶺井下鐵礦， 遼寧 遼陽市 111007； 2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山市 114000)

無底柱分段崩落法崩落體狀態(tài)的數(shù)值模擬研究

高常勝1，溫彥良2

(1.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)公司弓長嶺井下鐵礦， 遼寧 遼陽市 111007； 2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山市 114000)

針對無底柱分段崩落法采礦中損失貧化大的問題，通過數(shù)值模擬的方法，對回采系統(tǒng)中起決定性作用的崩落體形成過程進(jìn)行了模擬，通過對初始應(yīng)力平衡、爆破擠壓、爆后回縮3個階段的模擬計(jì)算，查明了崩落體形成各階段的應(yīng)力及外形特征。研究結(jié)果表明，崩落體呈近似橢球形，其外形上部略寬，下部略窄，崩落體形態(tài)外部邊緣并不光滑，存在明顯的礦巖混雜現(xiàn)象，研究結(jié)果對礦山放礦等實(shí)際生產(chǎn)工作具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

無底柱分段崩落法；崩落體；數(shù)值模擬

0 引 言

無底柱分段崩落法具有作業(yè)效率高、安全性好、生產(chǎn)強(qiáng)度大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國地下鐵礦山得到了推廣應(yīng)用[1-7]。目前，我國多數(shù)地下開采的鐵礦山都采用這種采礦方法，采用這種采礦方法的礦山產(chǎn)量已占到地下鐵礦山總產(chǎn)量的80%左右。同時，由于該采礦方法的爆破和生產(chǎn)出礦都是在松散巖層的覆蓋下進(jìn)行的，其損失和貧化大的問題一直是各礦山面臨的嚴(yán)重問題[2-7]。針對損失和貧化問題，國內(nèi)外專家學(xué)者針對松散礦巖的移動規(guī)律、爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及出礦管理方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，取得了很大的研究進(jìn)展，然而由于研究對象的片面性效果并不理想。張國建等提出了崩落體的概念，研究發(fā)現(xiàn)了崩落體在生產(chǎn)系統(tǒng)中的決定性作用[8]，研究崩落體的形成和狀態(tài)參數(shù)具有重要的實(shí)際意義。

1 崩落體

崩落體是在爆破作用下，在松散覆蓋巖層中形成的礦石爆堆[8-9]。它既是爆破作用形成的松散礦石體，同時也是放礦工作的對象。因此，崩落體處于爆破工作和生產(chǎn)放礦的中心環(huán)節(jié)。爆破參數(shù)的改變勢必影響崩落體的外形和內(nèi)部狀態(tài)，不同的崩落體狀態(tài)將會對應(yīng)著不同的放礦效果。無底柱分段崩落采礦是爆破、放礦、再爆破、再放礦的一個循環(huán)工作，因此前一步距的放礦會影響下一步距的崩落體形成，如果崩落體狀態(tài)不好，就會形成不好的循環(huán)狀態(tài)，而好的崩落體狀態(tài)會始終保持較好地生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。

生產(chǎn)實(shí)際中，該方法的爆破和放礦是在覆蓋巖層下進(jìn)行的，因此難以在生產(chǎn)現(xiàn)場準(zhǔn)確觀測崩落體的外形和狀態(tài)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為該研究方向的主要手段，研究中采用顆粒流程序PFC2D對崩落體的形成過程進(jìn)行研究，得出了崩落體的外觀形狀和內(nèi)部形態(tài)參數(shù)。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 模擬方法

PFC2D二維顆粒流程序是由Itasca公司開發(fā)的離散元軟件，該程序可以模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動及其顆粒間的相互作用，作為一種研究顆粒介質(zhì)特性的模擬軟件，在滑坡、采礦、爆破等很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10]。顆粒流方法采用顯式時步中心有限差分循環(huán)運(yùn)算法則，介質(zhì)被假定為離散體，顆粒之間需滿足平衡方程而不需滿足變形協(xié)調(diào)方程，這明顯不同于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題。如果作用于顆粒上的合力和合力矩不等于零，則顆粒運(yùn)動規(guī)律按牛頓第二定律確定。顆粒的運(yùn)動不是自由的，要受到周圍接觸顆粒的阻力限制，這種位移和阻力的規(guī)律就相當(dāng)于物理方程。

顆粒流的最基本特征是：允許粒子發(fā)生有限位移而且轉(zhuǎn)動粒子間可以完全脫離；顆粒流在計(jì)算過程中能夠自動辯識新的接觸。

2.2 模型建立

為了模擬爆破作用下崩落體的外觀形態(tài)以及放礦前崩落體內(nèi)的應(yīng)力分布特征，研究中參照實(shí)際礦山參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：分段高度為12 m，崩礦高度為18 m，覆蓋巖層厚度為24 m，出礦進(jìn)路高度為3 m，崩礦步距為2 m，模型中礦石顆粒塊度在10～15 cm之間，共生成礦石顆粒1140個，模型中覆蓋巖層塊度在20～30 cm之間，生成頂部和正面覆蓋巖層顆粒7300個。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)建模見圖1，模型礦巖顆粒力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬模型

礦巖比重/(t/m3)礦石顆粒法向剛度/(N/m)礦石顆粒剪切剛度/(N/m)覆巖顆粒法向剛度/(N/m)覆巖顆粒剪切剛度/(N/m)礦巖摩擦系數(shù)3．84e74e74e74e70．5

2.3 崩落體模擬過程分析

為了真實(shí)模擬出崩落體的外形和狀態(tài)，計(jì)算中將崩落體的形成分為3個階段。通過3個階段的模擬既能反映崩落體的最終狀態(tài)，也能直觀分析崩落體的形成過程。

第一階段，模擬頂部和正面覆蓋巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)。研究表明，覆蓋巖層的松散狀態(tài)以及密實(shí)度對爆破時崩落體的狀態(tài)有重要影響，為此應(yīng)首先模擬得出模型中24 m覆蓋巖層的自重應(yīng)力平衡狀態(tài)。計(jì)算后，模擬結(jié)果顯示，工作面頂部覆蓋巖層中受放礦影響最小，這一區(qū)域內(nèi)接觸應(yīng)力自上而下逐漸升高，且以垂直接觸應(yīng)力為主，最高應(yīng)力為0.2 MPa；正面覆蓋巖層自上而下應(yīng)力逐漸升高，自外向內(nèi)接觸應(yīng)力逐漸升高，接觸應(yīng)力處于水平擠壓和垂直自重并存的狀態(tài)，另外，工作面前方區(qū)域受上次放礦影響，巖石顆粒最為松散，接觸應(yīng)力最低(見圖2)。

圖2 爆破前覆蓋巖層應(yīng)力狀態(tài)

第二階段，爆破膨脹擠壓模擬。目前尚沒有手段能真實(shí)模擬爆破作用下松散巖石的膨脹狀態(tài)，研究中采用了崩落步距內(nèi)礦石顆粒半徑突然增大的方法，來模擬爆破時崩礦礦石的膨脹以及對周邊覆蓋巖層的擠壓作用，模擬結(jié)果見圖3。模擬結(jié)果顯示，爆破作用下礦石的膨脹擠壓以水平方向?yàn)橹鳎缆潴w的外形呈橢球狀，其水平膨脹的最大量約為崩礦步距的兩倍，而垂直方向的膨脹量則較小，僅約為其崩礦高度的10%。

圖3 爆破膨脹應(yīng)力狀態(tài)

第三階段，模擬爆破擠壓后的收縮階段。巖石的爆破作用是瞬間完成的，除了膨脹擠壓作用之外，還表現(xiàn)為爆破后的回縮作用。模擬中，在膨脹作用之后將崩礦步距內(nèi)礦石顆粒半徑再次設(shè)置回初始狀態(tài)，崩落步距內(nèi)礦石在周邊覆蓋巖層的壓縮作用下，崩落體必將回縮，重新達(dá)到一個放礦前的應(yīng)力平衡狀態(tài)。在這個新應(yīng)力平衡狀態(tài)下，崩落體就形成了，是最接近放礦的一個狀態(tài)，崩落體的形態(tài)見圖4。模擬結(jié)果顯示，首先，崩落體形態(tài)呈近似橢球形，且上部略寬，下部略窄；再者，爆破膨脹的主要方向是水平方向，崩落體厚度約為崩落步距的1.1～1.3倍，而垂直方向膨脹表現(xiàn)不明顯，崩落體高度增大不足10%；第三，崩落體邊界并不光滑，有明顯的礦巖混雜現(xiàn)象；最后，崩落體內(nèi)下部密實(shí)度略高于上部，這主要與爆破作用下下部覆蓋巖層的補(bǔ)償空間較小有關(guān)。

圖4 崩落體形態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)

3 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬下崩落體的形成經(jīng)歷了初始應(yīng)力平衡、膨脹擠壓和爆后回縮3個階段，通過礦石顆粒的增大和縮小，較好地反映了崩落體的真實(shí)形成狀態(tài)。

(2) 崩落體的狀態(tài)近似橢球體形，上寬下窄，爆破膨脹主導(dǎo)方向是水平方向。配合實(shí)驗(yàn)室的放出體形態(tài)實(shí)驗(yàn)，可以提前反映地下礦山爆破參數(shù)下的礦石回收指標(biāo)，為礦山生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174110).

高常勝(1974-)，男，工程師，主要從事地下鐵礦山回采工藝研究，Email：gaochangsheng1974@icloud.com。