勐糯鉛鋅礦采動(dòng)圍巖形變規(guī)律與頂板控制數(shù)值模擬研究

趙興昌 凌育麗

摘要：勐糯鉛鋅礦隨著地表資源的日益枯竭，深部開(kāi)采及復(fù)雜礦體的開(kāi)采成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的重要因素。并且受上部礦石回采形成空區(qū)，破壞原來(lái)的平衡應(yīng)力場(chǎng)。提出勐糯鉛鋅礦采動(dòng)圍巖形變規(guī)律與頂板控制數(shù)值模擬研究，對(duì)深部回采具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：圍巖；穩(wěn)定性；應(yīng)力

引言

在金屬礦山地下開(kāi)采中，隨著淺地表資源的日益枯竭，深部開(kāi)采及復(fù)雜礦體的開(kāi)采成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在礦體采出后巖體內(nèi)部形成空區(qū)，破壞原來(lái)的平衡應(yīng)力場(chǎng)。因此，不平衡的應(yīng)力必然進(jìn)行傳遞和調(diào)整，其傳遞和調(diào)整的結(jié)果，可能導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場(chǎng)的再次處于平衡狀態(tài)（這正是我們所期望的狀態(tài)）；另一種可能，由于采動(dòng)的影響，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低和松動(dòng)導(dǎo)致圍巖大范圍破壞，整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。礦體回采后，由于空區(qū)的形成，將會(huì)破壞原來(lái)平衡狀態(tài)。在采空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力得到釋放，下盤(pán)緊鄰采空區(qū)的邊界，應(yīng)力降低。上盤(pán)主要為拉應(yīng)力，上盤(pán)圍巖的破壞主要受拉應(yīng)力所致，采空區(qū)頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中。

1 中段開(kāi)采后圍巖移動(dòng)規(guī)律

1.1 位移場(chǎng)分析

隨著600中段向300中段持續(xù)開(kāi)采，采空區(qū)圍巖的最大位移值逐漸增大，最大位移點(diǎn)位于緊鄰采空區(qū)中心的上下盤(pán)圍巖中，上盤(pán)垂直圍移分布似雞蛋形，呈拱形分布向上逐漸減小。礦體底板和緊鄰底板的采空區(qū)下盤(pán)受應(yīng)力集中的影響，產(chǎn)生一定范圍向上位移，最大位移等值線沿著遠(yuǎn)離采空區(qū)的方向呈遞減趨勢(shì)。采空區(qū)圍巖的水平移動(dòng)值小于垂直移動(dòng)值。采空區(qū)周?chē)鷰r體的移動(dòng)均指向采空區(qū)。隨著500中段向深部開(kāi)采，在采空區(qū)上下盤(pán)圍巖中一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了大免壓拱。

1.2 間柱及頂?shù)字€(wěn)定性分析

由圖2-2間柱及頂?shù)字?jì)算結(jié)果圖，分析可知：隨著600中段開(kāi)采至300中段，最大位移出現(xiàn)在300中段頂柱部位，最大位移值為3.22cm。從應(yīng)力分布模擬結(jié)果看，開(kāi)采后最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在開(kāi)挖體與間柱、頂?shù)字佑|部位，最大壓應(yīng)力為25 。在間柱與頂?shù)字B接部位，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.5 。

從塑性區(qū)分布結(jié)果來(lái)看，隨著600中段向深部300中段開(kāi)采的過(guò)程中，上部中段的塑性區(qū)開(kāi)始逐漸往深部轉(zhuǎn)移，在僅留頂?shù)字伴g柱的情況下，下部中段頂?shù)字伴g柱塑性破壞范圍較大，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，最好在采場(chǎng)中根據(jù)頂板圍巖情況，留不規(guī)則點(diǎn)柱，或者采用木垛支護(hù)。

（1）最大位移云圖 （2）塑性區(qū)分布圖

（3）最大主應(yīng)力云圖 （4）最小主應(yīng)力云圖

2 留點(diǎn)柱控頂方案采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

勐興鉛鋅礦在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中僅在采場(chǎng)之間留間柱和各中段間留頂?shù)字瑸榱颂岣吣M精度，在建立模型時(shí)考慮了從600中段到300中段，共7個(gè)中段作為研究對(duì)象，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，將網(wǎng)格劃分的較密，有利于提高模擬精度，并提出三個(gè)方案進(jìn)行模擬。

方案一：采場(chǎng)內(nèi)留2mx2m點(diǎn)柱，點(diǎn)柱與點(diǎn)柱之間礦塊跨度為6m；

方案二：采場(chǎng)內(nèi)留2mx2m點(diǎn)柱，點(diǎn)柱與點(diǎn)柱之間礦塊跨度為8m；

方案三：采場(chǎng)內(nèi)留2mx2m點(diǎn)柱，點(diǎn)柱與點(diǎn)柱之間礦塊跨度為10m。

2.1 應(yīng)力分布模擬結(jié)果分析

從應(yīng)力分布模擬結(jié)果（圖3-1）看，三種方案開(kāi)采后頂板最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂?shù)字㈤g柱與頂板接觸部位，三種方案開(kāi)采后，頂板最大壓應(yīng)力分別為35 、38 、40 ，應(yīng)力隨跨度增加而增大。從最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，方案三的拉應(yīng)力超出了折減以后巖石本身的抗拉強(qiáng)度值，此時(shí)直接頂板容易出現(xiàn)拉破壞，會(huì)造成頂板冒落。所以從應(yīng)力分布結(jié)果來(lái)看，在留點(diǎn)柱的前提下，點(diǎn)柱間礦塊跨度為10m時(shí)，直接頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以，點(diǎn)柱尺寸為2mx2m時(shí)礦塊跨度以6-8m為宜。

（1）方案一開(kāi)采后頂板最大主應(yīng)力分布 （2）方案二開(kāi)采后頂板最大主應(yīng)力分布

（3）方案三開(kāi)采后頂板最大主應(yīng)力分布

2.2 最大位移云圖結(jié)果分析

從最大位移圖計(jì)算結(jié)果來(lái)看（圖3-2），點(diǎn)柱尺寸為2m，礦塊跨度為6m、8m、10m時(shí)頂?shù)字㈤g柱、點(diǎn)柱覆巖的最大位移分別分別增加，隨著深度的增加，最大位移呈線性增加。

（1）方案一開(kāi)采后頂板最大位移分布 （2）方案二開(kāi)采后頂板最大位移分布

（3）方案三開(kāi)采后頂板最大位移分布

隨著600中段向深部300中段開(kāi)采的過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)采至300中段以后，600中段采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱位移最大，逐漸往下，采場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)柱位移逐漸減小，說(shuō)明在向下開(kāi)采的過(guò)程中，上部空區(qū)中點(diǎn)柱破壞較為嚴(yán)重，三種方案的最大位移均出現(xiàn)在600中段的點(diǎn)柱中。說(shuō)明開(kāi)采后頂?shù)字㈤g柱及點(diǎn)柱主要受壓應(yīng)力。

2.3 塑性區(qū)分布模擬結(jié)果分析

在對(duì)模擬結(jié)果分析過(guò)程后，從留點(diǎn)柱后三種方案模擬結(jié)果可得，方案一礦體開(kāi)采后塑性區(qū)主要出現(xiàn)在300中段，390中段，450中段，500中段及550中段頂柱部位。在500中段偏下位置局部點(diǎn)柱和連續(xù)間柱也有少量塑性區(qū)出現(xiàn)；方案二將礦塊跨度擴(kuò)大到8m后，350中段到550中段頂柱塑性區(qū)越發(fā)明顯，且間柱及點(diǎn)柱也有大量塑性區(qū)出現(xiàn)；方案三開(kāi)采后整個(gè)頂?shù)字伴g柱都處于塑性狀態(tài)，此時(shí)頂?shù)字㈤g柱都不太穩(wěn)定，所以在采場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)柱最好控制在6-8米之間。從三個(gè)方案塑性區(qū)分布位置來(lái)看，隨著開(kāi)采深度的增加，頂?shù)字伴g柱出現(xiàn)塑性區(qū)區(qū)域越大。

3 結(jié)論

3.1 各中段開(kāi)采后圍巖移動(dòng)規(guī)律分析結(jié)論

各中段開(kāi)采后，600中段采空區(qū)圍巖最大位移值為1.15cm，最大位移點(diǎn)位于緊鄰采空區(qū)中心的上下盤(pán)圍巖中，上盤(pán)垂直位移分布似雞蛋形，呈拱形分布向上逐漸減小；550中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為1.51cm，位于550中段采空區(qū)的中心，上下盤(pán)圍巖的最大位移均呈現(xiàn)拱形分布；500中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為2.01cm，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在500中段和550中段緊鄰采空區(qū)中心的上盤(pán)圍巖中，上下盤(pán)圍巖的最大位移均呈現(xiàn)拱形分布；450中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為2.49cm。390m中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為3.14cm，350中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為4.12cm，300中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為5.18cm，由于采空區(qū)中心的下降，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在300中段和350m中段采緊鄰空區(qū)中心的上盤(pán)圍巖中，上下盤(pán)圍巖的最大位移呈現(xiàn)拱形分布。

初始狀態(tài)下，應(yīng)力的分布分層現(xiàn)象明顯，從上至下應(yīng)力依次增大，最大壓應(yīng)力為模型底部。礦體開(kāi)挖以后，由于采空區(qū)的存在，破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài)。在采空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力得到釋放，下盤(pán)緊鄰采空區(qū)的邊界，應(yīng)力降低。上盤(pán)主要為拉應(yīng)力，上盤(pán)圍巖的破壞主要受拉應(yīng)力所致，采空區(qū)頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.2 頂板控制的模擬分析結(jié)論

⑴ 針對(duì)勐興鉛鋅礦頂板處于不穩(wěn)至中等穩(wěn)固以上的特點(diǎn)，在礦體開(kāi)采過(guò)程中，在采場(chǎng)內(nèi)留2mx2m的點(diǎn)柱前提下，將礦塊間跨度控制在6-8m以?xún)?nèi)，且隨著開(kāi)采的不斷深入，應(yīng)適當(dāng)增加間柱及頂?shù)字膶挾龋鼙ＷC開(kāi)采過(guò)程頂板的穩(wěn)定。

⑵ 在礦體開(kāi)采過(guò)程中，除采用留點(diǎn)柱控制頂板的方法進(jìn)行開(kāi)采以外，在局部也可采用錨桿護(hù)頂，立柱護(hù)頂及木垛支護(hù)代替點(diǎn)柱等聯(lián)合支護(hù)方案，此方案相對(duì)于單獨(dú)留點(diǎn)柱支撐頂板方案而言，可以大大降低損失率，提高礦石回收率。

綜合以上對(duì)間柱、點(diǎn)柱、頂?shù)字绊敯宸€(wěn)定性的分析，從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)模擬結(jié)果看，認(rèn)為針對(duì)勐興鉛鋅礦在礦體開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)在采場(chǎng)內(nèi)留2mx2m的點(diǎn)柱，且點(diǎn)柱間礦塊的跨度控制在6-8m以?xún)?nèi)，且隨著開(kāi)采的不斷深入，應(yīng)適當(dāng)增加間柱及頂?shù)字膶挾取?/p>

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（作者單位：云南馳宏鋅鍺股份有限公司 永昌鉛鋅公司）