吳國(guó)興

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

露天與地下聯(lián)合開采采空區(qū)穩(wěn)定性分析

吳國(guó)興

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

針對(duì)拉拉銅礦露天與地下聯(lián)合開采的復(fù)雜情況，采用FLAC3D分析一定的隔離礦柱支撐下采空區(qū)圍巖變形及破壞特征。依據(jù)巖石力學(xué)摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語(yǔ)言定義了剪切安全度及拉伸安全度兩種破壞判據(jù)。依據(jù)模擬結(jié)果，為施工設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圍巖變形;采空區(qū);剪切安全度;拉伸安全度

0 引 言

露天與地下聯(lián)合開采是目前國(guó)內(nèi)部分礦山面臨的主要技術(shù)問題之一，并且隨著礦體向深部開采，這一問題會(huì)越來越突出。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在此方面取得了許多研究成果，南世卿等采用RFPA數(shù)值模擬程序分析斷層影響下露天轉(zhuǎn)地下境界礦柱穩(wěn)定性[1]，韓現(xiàn)民等采用數(shù)值模擬技術(shù)分析露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性[2]。四川省會(huì)理縣拉拉銅礦落凼礦區(qū)是涼山礦業(yè)股份有限公司大型主體銅金屬礦山，現(xiàn)露天礦區(qū)已開采到1 986 m標(biāo)高，露天產(chǎn)量將逐年遞減。為了保證1 500 t/d的產(chǎn)量，該公司決定進(jìn)行露天境界1 890 m以下的地下開采。露天與地下聯(lián)合開采帶來很多問題，地下開采的安全性和資源的損失量的矛盾關(guān)系就是主要技術(shù)問題之一，隨著礦體向深部開采，這一問題將會(huì)越來越突出，為了盡最大可能的采出礦石，滿足1 500 t/d的產(chǎn)量要求，露天和地下聯(lián)合開采采空區(qū)的穩(wěn)定性將是一個(gè)比較重要的問題。

1 計(jì)算模型與方案設(shè)計(jì)

1.1 模型建立及邊界條件

根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，礦體由3部分組成:502E－505E線;509E線、514E－517E線的3礦體;509E－517E線的12礦體、509E－513E線的33礦體。模型y方向?yàn)榈V體走向方向，長(zhǎng)度1 100 m;模型X方向垂直礦體走向方向，長(zhǎng)度1 210 m;模型Z方向?yàn)樨Q直方向，模型底部標(biāo)高1 636 m，頂部最高標(biāo)高1 986 m，模型高度350 m。模型上部建立1 986 m、1 962 m、1 938 m、1 914 m及1 890 m 5個(gè)露天臺(tái)階。

計(jì)算域邊界先施加自重應(yīng)力場(chǎng)，然后采取位移約束。由于采動(dòng)影響范圍有限，在離采場(chǎng)較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小，可將計(jì)算模型邊界處位移視為0。因此，計(jì)算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點(diǎn)采用X、Y、Z 3個(gè)方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型Y方向的兩端采用Y方向約束。模型頂部為自由邊界。圖1、圖2分別為模型的立體圖及509E剖面圖。

圖1 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.1 Three－Dimensional Numerical Simulation Calculation Model

圖2 509 E剖面模型圖Fig.2 509E Section Model Diagram

1.2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

因網(wǎng)格單元無法盡可能太小，離散后的單元開挖很難與現(xiàn)場(chǎng)相符，該文在計(jì)算方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬開采進(jìn)行了簡(jiǎn)化，礦房的開采分5步進(jìn)行:①開采露天1 986臺(tái)階和3號(hào)礦體礦房;②開采露天1 962臺(tái)階和12號(hào)礦體礦房1;③開采露天1 938臺(tái)階和12號(hào)礦體礦房2;④開采露天1 914臺(tái)階和12號(hào)礦體礦房3;⑤開采露天1 890臺(tái)階和33號(hào)礦體礦房。每步開挖1步，對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬采空區(qū)形成過程時(shí)的變形及破壞規(guī)律。

1.3 初始應(yīng)力場(chǎng)

地下開采引起的巖體應(yīng)力、位移變化是在原巖初始應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的，原巖應(yīng)力直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的可靠性。假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各項(xiàng)同性體，巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)如下:

式中:μ——泊松比;

H——巖體至地表的距離，m;

γ——上覆巖層容重，N/m;

σx、σy、σz——分別為 X、Y、Z 方向的自重應(yīng)力場(chǎng)，MPa;

經(jīng)計(jì)算，模型最大的垂直應(yīng)力為10.7 MPa，模型垂直方向應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 模型垂直方向應(yīng)力云圖Fig.3 Vertical Stress Contour of Model

1.4 破壞準(zhǔn)則

根據(jù)拉拉銅礦的巖石性質(zhì)及其組成，在FALC3D數(shù)值計(jì)算中選用了莫爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則來進(jìn)行模擬，其力學(xué)模型[3－6]為:

式中:σ1——巖體最大主應(yīng)力，MPa;

σ3——巖體最小主應(yīng)力，MPa;

σt——巖體抗拉強(qiáng)度，MPa;

C——巖體內(nèi)聚力，MPa;

φ——巖體內(nèi)摩擦角，°。

其中，fs＜0，巖體將發(fā)生剪切破壞，在巖體處于拉應(yīng)力下，當(dāng)拉應(yīng)力超過模型材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即:ft＞0時(shí)，巖體將發(fā)生拉伸破壞。

2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該文從剪切安全度、拉伸安全度、塑性區(qū)及垂直應(yīng)力4個(gè)方面來分析5步開采完后空區(qū)穩(wěn)定性，僅列出具有代表性的剖面云圖。

2.1 剪切安全度分析

從圖4可以看出，第5步開采后，巖體未發(fā)生剪切破壞。fs最小值是0.5 MPa，主要分布在露天境界邊幫和3礦體頂?shù)装?fs最大值是4.47 MPa，主要分布在模型底部;其余部分介于0.5～4.47 MPa之間。由于fs越大越安全，所以，露天境界邊幫和3礦體頂?shù)装迨且叨茸⒁獾牡胤健?/p>

圖4 509 E剖面剪切安全度云圖Fig.4 Shear Safety Contour of 509E Section

2.2 拉伸安全度分析

從圖5可以看出，第5步開采后，巖體未發(fā)生拉伸破壞。ft最小值是－9.98 MPa，主要分布在模型底部;ft最大值是－1.33 MPa，主要分布在露天境界邊幫和3礦體頂?shù)装?由于ft越小越安全，所以，露天境界邊幫和3礦體頂?shù)装迨且叨茸⒁獾牡胤?。與剪切安全度分析的結(jié)果相同。

圖5 509 E拉伸安全度云圖Fig.5 509 E Tensile Safety Contour

2.3 塑性區(qū)分析

礦體被開挖后，形成一定的采場(chǎng)空間，巖體中的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，一些部位應(yīng)力集中，另一些部位應(yīng)力降低。維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定性主要是依靠圍巖及礦柱自身強(qiáng)度來控制采場(chǎng)跨度并支撐采場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)。

從圖6典型剖面的塑性區(qū)分布圖可以看出:地下開采產(chǎn)生的塑性區(qū)并未貫通到露天終了境界，此時(shí)地表巖體整體還是穩(wěn)定的;礦體上部礦房開采頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)很少，隨著開采深度的增加，頂板塑性區(qū)增加。

如圖7塑性區(qū)分布所示，礦體回采后，形成一定的開采空間，采場(chǎng)上方覆巖壓力被空區(qū)隔絕后，通過應(yīng)力平衡拱便向四周礦柱及采場(chǎng)兩幫轉(zhuǎn)移、集中，懸掛的頂板上覆巖層主要靠礦柱、頂板上方的拱形壓縮區(qū)及采場(chǎng)兩幫巖體共同支撐，這樣使得礦房間柱和空區(qū)兩幫的巖體大部分處于高應(yīng)力屈服狀態(tài)，整個(gè)采場(chǎng)礦柱均出現(xiàn)了塑性區(qū)。

圖6 509 E剖面塑性區(qū)分布云圖Fig.6 Plastic Zone Distribution Contour of 509E Section

圖7 12礦體礦柱塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Plastic Zone Contour of 12Orebody Pillar

2.4 垂直應(yīng)力分析

圖8可以看出，礦體開采越深，垂直應(yīng)力越大，最大垂直壓應(yīng)力為17.4 MPa。33礦體垂直壓應(yīng)力最大，主要集中在礦體的頂板，開采施工的過程中，要對(duì)頂板進(jìn)行加固和支護(hù)，防止其失穩(wěn)。

圖9可以看出，大部分礦房間柱承受的垂直壓應(yīng)力為5～30 MPa之間，在高壓應(yīng)力的作用下，礦柱有發(fā)生剪切破壞的可能。在開采施工的過程中，要對(duì)礦柱進(jìn)行加固和支護(hù)，最大可能提高其支撐能力。

圖8 509 E剖面垂直應(yīng)力分布云圖Fig.8 Vertical Stress Contour of 509E Section

圖9 12礦體礦柱垂直應(yīng)力分布云圖Fig.9 Vertical Stress Contour of 12Orebody Pillar

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)拉拉銅礦露天與地下聯(lián)合開采的模擬，其結(jié)論:

(1)圍巖穩(wěn)定性:巖體未發(fā)生剪切和拉伸破壞，但是局部區(qū)域安全系數(shù)較小，施工開采過程中較危險(xiǎn)。加強(qiáng)露天境界邊幫和礦體頂?shù)装宓谋Ｗo(hù);

(2)礦柱穩(wěn)定性:礦柱處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，極有可能發(fā)生剪切破壞，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)礦柱的保護(hù);

(3)空區(qū)狀況:全部開采后，遺留的空區(qū)面積較大，空區(qū)大的暴露面積有引起沖擊地壓的危險(xiǎn)，建議在礦體開采過程中及時(shí)采用尾砂或廢石充填，減少空區(qū)暴露面積，限制圍巖變形，改善礦柱應(yīng)力狀態(tài)。

[1]南世卿，趙興東.斷層影響下境界礦柱穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山，2005(3):28－30.

[2]韓現(xiàn)民，李占金，甘德清，等.露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬與敏感度分析[J].金屬礦山，2007(6):8－12.

[3]何忠明，曹平.考慮應(yīng)變軟化的地下采場(chǎng)開挖變形穩(wěn)定性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，39(4):641－646.

[4]謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4):397－401.

[5]余學(xué)義，尹士獻(xiàn)，趙兵朝.采動(dòng)厚濕陷性黃土破壞數(shù)值模擬研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(2):135－138.

[6]王文星.巖體力學(xué)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2004:184－185.

Analysis on Goaf Stability for Combined Mining in Open－Pit and Underground

WU Guo－xing
(Kunming Engineering＆ Research institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on complex situation of combined open and underground mining in Lala Copper Mine，the rock deformation and failure features of goaf surrounding rock under the support of isolated pillar were analyzed by FLAC3Dsoftware.In accordance with Moore－Coulomb criterion of rock mechanics，two failure criterion of shear－ tensile safety were defined by using Fish language embedded in FLAC3D.On the basis of the simulated results，theoretical basis are provided for mining and construction design.

rock deformation;goaf;shear safety;tensile safety

TD325

A

1004－2660(2012)01－0001－05

2011－12－01.

吳國(guó)興(1984－)，男，江西人，碩士，助理工程師.主要研究方向:采礦工程設(shè)計(jì).

E－mail:wuguoxing84@126.com