空區(qū)穩(wěn)定性影響因素?cái)?shù)值模擬研究

房洪亮 王宇馳

摘要： 在礦山進(jìn)行地下開(kāi)采時(shí)，會(huì)造成許多空區(qū)，這些空區(qū)是否穩(wěn)定對(duì)礦山安全有著很大影響，為了研究研究空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素，文章運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)化模型對(duì)何家采區(qū)空區(qū)進(jìn)行分析，從厚跨比進(jìn)行了多組模型數(shù)值模擬分析，確定了幾個(gè)因素對(duì)空區(qū)圍巖及頂板穩(wěn)定的影響，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有著一定的指導(dǎo)作用。

Abstract： When underground mining is carried out in mines， many empty areas will be created. Whether these empty areas are stable or not has great influence on mine safety. In order to study the influencing factors of the stability of the empty area， the article uses FLAC3D numerical simulation software to establish a simplified model to analyze the empty area of Hejia mining area. Multiple sets of models numerical simulation analysis is carried out from thick-span ratio， thus determining the influence of several factors on the surrounding rock and roof stability of the empty area， and has a certain guiding effect on production practice.

關(guān)鍵詞：空區(qū)穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；內(nèi)摩擦角；粘聚力；厚跨比

Key words： empty area stability；numerical simulation；internal friction angle；cohesive force；thick-span ratio

中圖分類號(hào)：TD804 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0191-02

0 引言

為便于分析問(wèn)題，本文中將何家采區(qū)空區(qū)硐室圍巖應(yīng)力考慮為均布?jí)毫顟B(tài)，將圍巖體考慮成各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)。在實(shí)際情況中空區(qū)硐室的軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且在該方向上不需要考慮自由面影響，可轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題[1]。但FLAC3D后處理體積應(yīng)變?cè)茍D與塑性區(qū)云圖用于判定松動(dòng)圈范圍上簡(jiǎn)潔明了，仍用三維計(jì)算，在厚度方向只需取一個(gè)單位網(wǎng)格，快捷又不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。以左右邊界為模型位移邊界；模型邊界Y軸方向?yàn)檎w約束，模型底部約束Z方向?yàn)榛瑒?dòng)支座，只考慮計(jì)算精度話，模型的幾何尺寸應(yīng)取實(shí)際值[2]，但為了減小邊界對(duì)空區(qū)硐室的影響，一般將左右邊界距離硐室的距離確定為3-5倍的跨度。由于硐室高2.5m模型底面對(duì)硐室影響模型較小，模型的底邊界到硐室底面取5m，如圖1所示。由于巖石多被剪切破壞，而摩爾·庫(kù)侖準(zhǔn)則有著全面反映巖石強(qiáng)度特點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，且適用于脆性材料的剪切破壞；故采用摩爾·庫(kù)侖模型計(jì)算。控制在一定范圍空區(qū)規(guī)模、深度及圍巖的力學(xué)性質(zhì)、邊界條件都影響著上覆地表承載能力。為使機(jī)械設(shè)備、車輛能夠安全或部分限制的通過(guò)，空區(qū)需有一定的承載力，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取最不利荷載，在空區(qū)頂部5m范圍內(nèi)作用1MPa的荷載。

1 不同厚度的頂板影響分析

為了獲得頂板的安全厚度，要對(duì)不同厚度的頂板利用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察x-x方向的應(yīng)力值即不同厚度頂板處水平方向的拉應(yīng)力值，進(jìn)而和頂板處的抗拉強(qiáng)度比較得出安全厚度。在此過(guò)程中，為便于分析只計(jì)算頂板在其重力作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。查閱有關(guān)資料，可以把頂板容許抗拉強(qiáng)度[σ]看作是其抗拉強(qiáng)度[7]。

在本次模擬計(jì)算中，初始頂板的厚度設(shè)為4m，以后每次計(jì)算頂板的厚度增加1m，以此類推。根據(jù)本次模擬結(jié)果，不同厚度的頂板處所對(duì)應(yīng)的水平方向應(yīng)力分布情況分別如下，如圖1所示。

圖1中頂板厚度取值為4-9m時(shí)，其頂板處的水平方向應(yīng)力分布云圖依次如a-f各圖所示。由應(yīng)力分布云圖和頂板厚度與拉應(yīng)力曲線圖可以得出，頂板下表面的拉應(yīng)力是不受頂板的厚度變化的影響，無(wú)論如何變化此拉應(yīng)力總是存在。但是隨著頂板厚度的逐漸增大頂板處的最大拉應(yīng)力的數(shù)值會(huì)隨之減小。頂板處的最大拉應(yīng)力的減小量在頂板厚度在4-7m之間時(shí)比較大，但應(yīng)力的減小程度會(huì)隨著頂板厚度的增加而越來(lái)越弱。

在本次的數(shù)值模擬中，當(dāng)頂板的厚度為7m，頂板的抗拉強(qiáng)度仍然為[σ]=0.8MPa，空區(qū)初始跨度設(shè)為10m，其跨度以每次增加1m來(lái)變化。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)空區(qū)的跨度為15m時(shí)計(jì)算結(jié)果收斂，但當(dāng)跨度為16m時(shí)計(jì)算結(jié)果卻不再收斂。而15m跨度的拉應(yīng)力的值近似于頂板的抗拉強(qiáng)度，因此根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果可以得出結(jié)論：空區(qū)跨度為15m時(shí)是頂板厚度為7m的最大安全跨度。

根據(jù)上述模擬分析，當(dāng)頂板厚度為7m時(shí)，13-15m的空區(qū)跨度的范圍下頂板處的拉應(yīng)力值雖然小于極限值，但兩者的差距非常小，所以不能保證其安全性，不能作為空區(qū)跨度的安全范圍，綜合分析跨度范圍為10-13m時(shí)是其安全跨度。由此可知，在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)不能為了增加產(chǎn)量隨意的加大空區(qū)的跨度，超過(guò)一定的跨度范圍將會(huì)嚴(yán)重影響空區(qū)頂板的承載能力，導(dǎo)致承載力降低頂板坍塌。所以在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際開(kāi)采環(huán)境，對(duì)應(yīng)不同的頂板厚度選取合適的空區(qū)安全跨度。

2 總結(jié)

本文通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)和塑性區(qū)分布，研究了不同跨度情況下空區(qū)穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：在平面頂板情況下，跨度為10m的空區(qū)頂板的安全厚度為4-7m，超過(guò)范圍頂板下表面的拉應(yīng)力減小量很小，所以只增大頂板厚度沒(méi)有意義。同時(shí)不能為了增加產(chǎn)量隨意的加大空區(qū)的跨度，超過(guò)一定的跨度范圍將會(huì)嚴(yán)重影響空區(qū)頂板的承載能力，導(dǎo)致承載力降低頂板坍塌。

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