王天雄1,喻 勇2,鄭光禮3,劉長磊3

(1. 陜西省冶金礦山公司,陜西 西安 710075;2. 西南交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系,四川 成都 610031;3. 陜西省寧強(qiáng)錳礦,陜西 寧強(qiáng) 724409)

研究論文

陜西省寧強(qiáng)錳礦礦柱參數(shù)優(yōu)化研究

王天雄1,喻 勇2,鄭光禮3,劉長磊3

(1. 陜西省冶金礦山公司,陜西 西安 710075;2. 西南交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系,四川 成都 610031;3. 陜西省寧強(qiáng)錳礦,陜西 寧強(qiáng) 724409)

采用三維有限元數(shù)值計算方法,以陜西省寧強(qiáng)錳礦礦柱參數(shù)為對象,研究處于地應(yīng)力場中的標(biāo)準(zhǔn)礦房在保留8根礦柱和2根礦柱情況下的應(yīng)力分布特點(diǎn),并對兩種留礦方式進(jìn)行對比計算,所得結(jié)論為同類礦層開采方案提供了優(yōu)化途徑。

錳礦;礦柱參數(shù);優(yōu)化研究

陜西寧強(qiáng)錳礦為一地下礦山,采用淺孔留礦法開采。目前開采位置距地表垂直距離超過200m,地下巖體應(yīng)力已達(dá)到相當(dāng)?shù)臄?shù)值。在此情況下如何保留礦柱,做到既保障巖體的安全穩(wěn)定性,又能最大限度地提高回采率,是一個值得研究的課題。

針對寧強(qiáng)錳礦實際情況,采用三維有限元數(shù)值計算方法,研究處于地應(yīng)力場中的一個標(biāo)準(zhǔn)礦房在保留8根礦柱和2根礦柱情況下的應(yīng)力分布特點(diǎn),對兩種留礦方式進(jìn)行了對比,以求為礦山的生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 計算條件及方案

根據(jù)寧強(qiáng)錳礦的相關(guān)技術(shù)資料[1],在計算中取標(biāo)準(zhǔn)礦房的尺寸如下:長度45m,高度45m。礦體厚度2m,傾角50(°)。間柱寬3m,斜高6m,間距3m。礦房下部設(shè)8個放礦漏斗。漏斗傾角為45(°),底部為寬1m、高3.5m、厚2m的放礦通道。在第1個方案中礦房內(nèi)均勻布置8個礦柱,礦柱為三角錐形,底部正三角形邊長3.5m,頂部正三角形邊長0.5m。礦房頂板厚2m。平巷寬度2m,高度2m。在第2方案中礦房內(nèi)布置2個礦柱,礦柱尺寸與第一方案相同。

以850m高程與815m高程之間的一個標(biāo)準(zhǔn)礦房作為研究對象,為方便施加約束,將礦房底部以下815～760m之間與礦房形狀及大小相同部分巖體納入計算區(qū)域。

2 計算軟件介紹及計算模型

有限元分析采用美國ANSYS公司研制開發(fā)的大型通用有限元分析程序ANSYS。該程序是一個適用于微機(jī)平臺的大型有限元分析系統(tǒng),它功能強(qiáng)大,適用領(lǐng)域非常廣泛。ANSYS是在20世紀(jì)70年代由ANSYS公司開發(fā)的工程分析分析軟件。開發(fā)初期是為了應(yīng)用于電力工業(yè),現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車、土木工程等各種領(lǐng)域,能滿足各有限元分析的需要。初期的ANSYS軟件功能單一,使用不便,隨著幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在ANSYS的最新版已經(jīng)達(dá)到9.0,功能更加強(qiáng)大和完善,操作和使用也更加方便。圖形用戶界面給用戶學(xué)習(xí)和使用ANSYS提供了更加直觀的途徑。命令流方式給高級用戶提供了更加靈活和高效的分析手段。同時,ANSYS提供的強(qiáng)大和完整的聯(lián)機(jī)說明和系統(tǒng)詳盡的聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng),使用戶能夠不斷深入學(xué)習(xí)并完成一些深入的課題。

ANSYS軟件主要包括3個模塊:預(yù)處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。預(yù)處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(包括線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析能力;后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來,也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料[2]。

建立有限元分析模型時采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元,模型中共有15347節(jié)點(diǎn)、10650單元。在模型中不區(qū)分礦石及圍巖的力學(xué)特性差別,即認(rèn)為他們具有相同的力學(xué)特性,取它們的彈性模量均為40 GPa,泊松比為0.2,密度為3.0t/m3。

3 地應(yīng)力

4 計算結(jié)果分析

4.1 方案一

1)礦房上盤

方案一中礦房內(nèi)均勻布置8個礦柱,排列成4行2列。模型的4個側(cè)面作用水平地應(yīng)力,側(cè)壓系數(shù)1.1,頂部作用垂直地應(yīng)力。

計算結(jié)果中,以圖像方式列出礦房上盤及下盤兩個平面上的最大主應(yīng)力(第1個主應(yīng)力)、最小主應(yīng)力(第3主應(yīng)力)以及應(yīng)力強(qiáng)度值。其中盈利強(qiáng)度定義為3個主應(yīng)力兩兩之差的最大絕對值,即max (|σ1-σ2|,|σ2-σ3|,|σ1-σ3|)。某一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度可以大致反映出該點(diǎn)的安全程度:應(yīng)力強(qiáng)度越高,該處越危險,反之越安全。

礦房上盤表面大部分區(qū)域的第1主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,約為6MPa,其中礦房頂部拉應(yīng)力較小,底部拉應(yīng)力較大,最大達(dá)18MPa。礦房上盤8根礦柱所在位置的第1主應(yīng)力為壓應(yīng)力,中心處的壓應(yīng)力值達(dá)100MPa。

礦房表面大多數(shù)區(qū)域(包括兩側(cè)間柱)的第3主應(yīng)力為0,而礦柱處的第3主應(yīng)力為壓應(yīng)力,礦柱中心處的壓力值及高,達(dá)800MPa。

在復(fù)雜應(yīng)力條件下,巖體破壞與否由強(qiáng)度理論決定。多數(shù)強(qiáng)度理論與3個主應(yīng)力之間的差值有直接的聯(lián)系。例如,對于巖石材料而言,可用莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則判定其是否破壞。而莫爾強(qiáng)度理論與應(yīng)力分量第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力的代數(shù)差有關(guān),因此用應(yīng)力強(qiáng)度來反映巖體的危險程度是合理的。

采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

礦房上盤大部分區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度為10～20 MPa,最危險區(qū)域是8根礦柱所在部位,其原因是礦主在上盤的尺寸極小,只有0.5m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦柱底部的尺寸。礦柱中心處的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到6858MPa,而間柱處的應(yīng)力強(qiáng)度只有55MPa。礦房下部的應(yīng)力強(qiáng)度為20～40MPa,小于間柱,大于頂部,既頂部的應(yīng)力強(qiáng)度最小,平均為20MPa。

由以上分析可知,礦柱的上端是需要引起重視的部位。由于這部分的斷面尺寸較小,應(yīng)力集中情況較為嚴(yán)重,安全性能較低。

2)礦房下盤

礦層下盤的中間大部分區(qū)域的第1主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,數(shù)值為2.2～9.7MPa。礦房頂部附近的第1主應(yīng)力最大,為17～32MPa。兩側(cè)間柱處的第1主應(yīng)力較小,礦房底部漏斗附近的應(yīng)力最小,并有壓應(yīng)力出現(xiàn)。

礦房下盤中間大部分區(qū)域的第3主應(yīng)力為10.6MPa的壓應(yīng)力,兩側(cè)間柱處的第3主應(yīng)力也為壓應(yīng)力,且比較高,達(dá)10.6～59.6MPa,礦房下部漏斗附近的第3主應(yīng)力極值為69.4MPa的壓應(yīng)力。

下盤的應(yīng)力強(qiáng)度分別情況:兩側(cè)間柱、頂部和底部的應(yīng)力強(qiáng)度較大,其中頂部33～53MPa,兩側(cè)間柱19.5～53MPa,底部33～53MPa,而礦房內(nèi)部的應(yīng)力強(qiáng)度只有6～14MPa,礦柱應(yīng)力強(qiáng)度約12.8 MPa。

4.2 方案二

在方案二中,與方案一不同之處在于礦房內(nèi)沒有8根礦柱,而只有2根。

1)礦房下盤

礦房內(nèi)部大部分區(qū)域的第1主應(yīng)力接近于0,而兩側(cè)礦柱的第1主應(yīng)力較大,達(dá)20MPa(拉應(yīng)力)。礦房頂部的第1主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,達(dá)到7MPa。底部的第1主應(yīng)力為大約4MPa的拉應(yīng)力。

下盤的第3主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力,在礦房內(nèi)部區(qū)域,第3主應(yīng)力為8.2MPa;兩側(cè)礦柱的應(yīng)力為22～150MPa;頂部應(yīng)力為22～63MPa;底部應(yīng)力8.2～50MPa。

礦房內(nèi)部大部分區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度為10.4MPa,兩根礦柱處的應(yīng)力強(qiáng)度為26.7MPa。兩側(cè)間柱的應(yīng)力強(qiáng)度為10.4～92.0MPa,底部10.4～59.4 MPa,頂部26.7～59.4MPa。

同方案一相比,由于礦柱數(shù)量的減少,方案二中礦房的應(yīng)力強(qiáng)度明顯增加。其中,間柱最大應(yīng)力強(qiáng)度從53MPa上升到92MPa,增加了39MPa,接近80%。礦柱處的應(yīng)力強(qiáng)度由12.8MPa上升到了26.7MPa,增加率超過100%。

2)礦房上盤

礦房內(nèi)部絕大多數(shù)區(qū)域的第1主應(yīng)力為0～7 MPa拉應(yīng)力,兩側(cè)間柱及礦房頂部、底部的第1主應(yīng)力為7～15MPa的拉應(yīng)力。兩礦柱內(nèi)部的第1主應(yīng)力為110～159MPa的壓應(yīng)力。

礦房內(nèi)各部位的第3主應(yīng)力均為壓應(yīng)力。礦柱處存在較大的應(yīng)力集中,應(yīng)力值范圍為62.8～929 MPa,其余各處的應(yīng)力為62.8MPa。

礦房內(nèi)多數(shù)區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度為20MPa。間柱處的應(yīng)力強(qiáng)度為20～100MPa。上部礦柱處的應(yīng)力強(qiáng)度為100～830MPa,下部礦柱100～800MPa。礦房頂?shù)撞康膽?yīng)力強(qiáng)度為20MPa。同方案一相比,礦柱處的應(yīng)力強(qiáng)度由685MPa上升到800MPa,增加了145MPa。間柱應(yīng)力強(qiáng)度由55MPa上升到100MPa,增加了45MPa。礦房下部的應(yīng)力有所減小,由原來的40MPa減少到20MPa。頂部及其他部位沒有變化。

比較得知,減少礦柱數(shù)量會使礦柱上端的安全穩(wěn)定性顯著降低,其中礦柱上盤段的應(yīng)力強(qiáng)度高出其它部位一個數(shù)量級,是最容易發(fā)生破壞的區(qū)域,需要特別引起重視。

[1] 葉先磊.史來杰ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[2] 劉允芳.巖體地應(yīng)力與工程建設(shè)[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

The Optinize Study of the Parameter of Ore Pillar of Shanxi Ningqiang Manganese Mine

WANG Tian-xiong1,YU Yong2,ZHENG Guang-li3,LIU Chang-lei3
(1. Shanxi Metallurgy and Mining Co.,Xi’an,Shanxi 710075,China;
2.Applied Mechanics and Engineering of Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;
3.Shanxi Ningqiang Manganese Mine,Ningqiang,Shanxi 724409,China)

This study takes the parameter of ore pillar as the object,giving the optimize ways of mining in similar vein.

Manganese mine;Parameter of ore Pillar;Optimize study

TD853.32+2

A

1002-4336(2010)02-0012-03

2010-04-18

王天雄(1968-),男,陜西渭南人,采礦高級工程師,碩士,經(jīng)理,黨委書記,研究方向:礦山及環(huán)保,手機(jī): 13359268888,傳真:029—87421601,E-mail:sxsyjksgs@163.com,通訊地址:陜西省西安市高新區(qū)科技路50號金橋國際廣場B座6層.