楊錫祥,郭建軍,周英芳

(山東招金集團有限公司, 山東招遠市 265400)

蠶莊金礦上莊礦區(qū)采場穩(wěn)定性分析

楊錫祥,郭建軍,周英芳

(山東招金集團有限公司, 山東招遠市 265400)

采用二維平面應(yīng)變問題有限元法對 3個試驗采場 17步開挖采充步驟的過程進行了模擬,并根據(jù)模擬計算結(jié)果對礦房采動過程中各個階段的穩(wěn)定情況作了分析,同時討論了不同礦房傾角、不同支護方式等因素對采場穩(wěn)定性的影響,指出礦房頂板及右側(cè)壁圍巖的穩(wěn)定程度是控制采場穩(wěn)定性的主要因素,選取 70°礦房傾角可改善其受力狀態(tài)。

蠶莊金礦;采場穩(wěn)定性;數(shù)值模擬分析

1 礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)分布特點

蠶莊金礦上莊礦區(qū)的原巖應(yīng)力場,以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,并且屬于區(qū)域性構(gòu)造的望兒山壓扭性斷裂帶(主斷裂),對整個礦區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)起控制作用。為了掌握巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律,進行了巖體結(jié)構(gòu)面詳細調(diào)查,其巖體結(jié)構(gòu)分布有如下特點。

(1)結(jié)構(gòu)面可以分為 4組。Ⅰ、Ⅱ兩組數(shù)量大、規(guī)模大,優(yōu)勢明顯;Ⅲ組分布離散,仍有一定的數(shù)量;Ⅳ組數(shù)目不多,但分布相當(dāng)集中。

(2)礦區(qū)結(jié)構(gòu)面的分組情況與各構(gòu)造分區(qū)基本吻合,說明構(gòu)造應(yīng)力在這一地區(qū)變化不大。

(3)從構(gòu)造上看,主斷裂帶這一區(qū)域控礦構(gòu)造起主導(dǎo)作用。4組結(jié)構(gòu)面中有 3組走向與其平行。

(4)4組結(jié)構(gòu)面平均間距分別為:Ⅰ組 0.343 m,Ⅱ組 0.279 m,Ⅲ組 0.321 m,Ⅳ組 0.348 m。全礦區(qū)結(jié)構(gòu)面間距總體分布為正態(tài)分布。

2 單個采場數(shù)值模擬分析

2.1 計算方法

有限元法和邊界元法是目前地下工程中的兩種有效數(shù)值方法,而在解決非均質(zhì)材料中開挖體的穩(wěn)定性問題時,有限元法更優(yōu)越。本課題采用二維平面應(yīng)變問題有限元法,首先進行位移和彈性應(yīng)力計算,然后使用德魯克-普拉格準則進行塑性變形的判斷。

單個采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,主要包括采場長度、寬度、跨度以及分層高度。分層高度在計算模型中變化幅度較小,它的變化對采場周圍應(yīng)力和位移影響很小,況且分層高度受采礦方法、采礦設(shè)備、采場支護手段的影響程度較大,過大過小都會對采場生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響,因此,這里不再做分析比較。在計算過程中,分層高度為 2.5 m。

2.2 采場長度優(yōu)化分析

采場長度優(yōu)化計算模型取 4個,其長度分別為20,40,60,80 m,采場高度均為 30 m。

從采場頂板下沉量來看,隨著采場長度的增加,頂板下沉量也不斷增大,增長率在 28%～53%之間,且隨長度的增加,增長率逐漸下降。

從采場頂板應(yīng)力狀況來分析,采場長度在 20～40 m之間,頂板壓力大幅度下降,超過 40 m之后,開始出現(xiàn)拉應(yīng)力,60～80 m之間拉應(yīng)力急劇增加。采場頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力,說明頂板巖體處于應(yīng)力松弛狀態(tài),使弱結(jié)構(gòu)面粘結(jié)力下降,在重力作用下出現(xiàn)冒落現(xiàn)象,采場頂板處于危險狀態(tài),應(yīng)加強支護。

采場側(cè)幫應(yīng)力也呈現(xiàn)較強的規(guī)律性,隨著采場長度的增加,側(cè)幫應(yīng)力不同程度的增大,20～40 m間增長緩慢,60～80 m之間卻增長較快。

2.3 采場高度優(yōu)化分析

采場高度優(yōu)化計算模型分別為 10,30,50 m 3個,采場跨度均取 10 m。

采場頂板下沉量與采場高度呈正比關(guān)系,當(dāng)采場高度不斷上升,頂板下沉量持續(xù)增加,30 m之后增長幅度下降。

采場頂板應(yīng)力狀況顯示,采場高度在 10～30 m之間,頂板應(yīng)力急劇增大,30 m處呈現(xiàn)拐點,30 m之后開始下降,說明采場高度達到 30 m時,頂板壓力處于最不利狀態(tài)。30 m之后應(yīng)力開始下降,45 m處出現(xiàn)拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力上升速度較快。

采場側(cè)幫應(yīng)力呈現(xiàn)相同的規(guī)律性,應(yīng)力在 30 m處上升到最大值,之后急劇下降,45 m處出現(xiàn)拉應(yīng)力,且增長幅度較大。

因此,采場高度以不超過 40 m為宜,且以單中段回采方式較為穩(wěn)妥。隨著采場的上采,采場應(yīng)力環(huán)境越來越不利,應(yīng)加強采場頂板及幫壁的支護。

2.4 采場跨度優(yōu)化分析

采場跨度優(yōu)化分析模型取 3個,其跨度分別為10,20,30 m,采場高度均為 30 m。

頂板下沉量隨著采場跨度的增加,呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢,最大下沉量為 8 mm,說明頂板下沉量與跨度之間關(guān)系不大。

頂板應(yīng)力狀態(tài)與跨度之間成反比關(guān)系(見圖1),隨著跨度的增加,壓力越來越小。這與應(yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力場有關(guān),最大主應(yīng)力與采場跨度方向平行,有利于采場的穩(wěn)定。

圖1 采場頂板應(yīng)力與采場跨度的關(guān)系

采場側(cè)幫應(yīng)力狀態(tài)與頂板的變化趨勢不同(見圖2),隨著采場跨度的增加,最大主應(yīng)力持續(xù)增加,從最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力方面看,10 m時應(yīng)力處于最低狀態(tài),20 m之后呈上升趨勢。因此,采場跨度取 10 m為宜,最大不超過 20 m。

圖2 采場側(cè)幫應(yīng)力與采場跨度的關(guān)系

3 礦房傾角對采場應(yīng)力狀態(tài)的影響

由于礦房傾斜布置,這種礦房傾斜角度與采場應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系究竟如何,需要做一模擬分析。采場傾角取 30°、50°、70°、90°4個值,采場跨度均為10 m,采場高度為 30 m。

采場頂板下沉量與礦房傾角關(guān)系(見圖3)表明,在傾角 70°處呈現(xiàn)突變,小于 70°是隨著傾角的增大,下沉量呈下降趨勢,大于 70°之后,下沉量又開始上升。

圖3 采場頂板下沉量與采場傾角的關(guān)系

采場頂板應(yīng)力變化比較復(fù)雜(見圖4),30°～50°之間,頂板應(yīng)力上升速度很快,50°處達到最大值,50°～70°之間呈下降趨勢,70°處達到最小值,70°之后又緩慢上升。

圖4 采場頂板應(yīng)力與采場傾角的關(guān)系

采場上、下盤應(yīng)力狀態(tài)見圖5和圖6,總的來說,下盤應(yīng)力大于上盤。在 30°處均出現(xiàn)拉應(yīng)力,隨著傾角的增加,最大主應(yīng)力一直呈上升趨勢,而最小主應(yīng)力在 50°處上升至最大值,之后開始下降。

圖5 采場上盤應(yīng)力與采場傾角的關(guān)系

圖6 采場下盤應(yīng)力與采場傾角的關(guān)系

由此可見,應(yīng)力環(huán)境最有利的傾角為 70°左右。

4 采場充填效應(yīng)

為了探討充填作用機理,模擬了采場充填前后兩種空區(qū)形態(tài),采場高度為 30 m,跨度為 10 m,采場傾角為 70°。

對于采場頂板應(yīng)力變化狀態(tài),充填后采場壓力均不同程度下降,下降幅度最大的是最大主應(yīng)力,最小主應(yīng)力次之,最大剪應(yīng)力下降幅度最小;而充填前后側(cè)幫應(yīng)力狀態(tài),側(cè)幫中央應(yīng)力下降幅度最大,而最大剪應(yīng)力卻有所增加。

充填體不僅為采場提供工作底板,限制采場兩幫巖體位移,而且對采場周圍應(yīng)力狀態(tài)有所改善,應(yīng)力降低幅度達 30%～40%。

充填體內(nèi)最大主應(yīng)力在 26～73 kN之間變化,平均為 50 kN的低強度尾膠體,基本能滿足要求。

5 結(jié) 論

試驗采場的穩(wěn)定性分析,借助于有限單元法對3個試驗采場 17步開挖采充步驟的過程進行了模擬,并根據(jù)模擬計算結(jié)果對礦房采動過程中各個階段的穩(wěn)定情況作了分析,同時討論了不同礦房傾角、不同支護方式等因素對采場穩(wěn)定性的影響。

通過對采礦工程多層次、多方位的采充模擬計算,揭示了傾斜礦房采場地壓的顯現(xiàn)規(guī)律:

(1)蠶莊金礦上莊礦區(qū)試驗采場,塑性單元主要集中在礦房頂板和充填體中。這一現(xiàn)象揭示出了礦房頂板及右側(cè)壁圍巖的穩(wěn)定程度是控制采場穩(wěn)定性的主要因素。

(2)礦房傾斜布置,從采場應(yīng)力分布而言對采場的穩(wěn)定性有一定的積極作用:它改變了充填體的受力狀態(tài),同時每個礦房的右下側(cè)壁受到充填體的托扶作用,也改善了礦房頂板和右下側(cè)壁的受力狀態(tài)。并且,分析不同礦房傾角的采場應(yīng)力狀態(tài),選取70°礦房傾角是可行的。

(3)計算分析表明,及時地提供合理的支護對礦房的穩(wěn)定將起到舉足輕重的作用。

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2009-07-29)

楊錫祥(1963-),男,山東榮城人,高級工程師,主要從事礦山安全環(huán)?？萍脊ぷ?Email:guojianjun1967@163.com。