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        夜長坪鉬礦軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究

        2013-04-03 09:31:44孫祥鑫明士祥嚴(yán)榮富
        金屬礦山 2013年2期
        關(guān)鍵詞:鉬礦模擬計(jì)算主應(yīng)力

        孫祥鑫 明士祥 秦 帥 嚴(yán)榮富

        (北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

        中原礦業(yè)有限公司夜長坪鉬礦是一個(gè)具有巨大開發(fā)潛力的大型鉬金屬原料基地,2004年2月重新規(guī)劃生產(chǎn),目前正在進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)設(shè)計(jì)和技術(shù)改造,一期生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)2萬t/d,這將成為國內(nèi)最大的地下鉬礦山,為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),該礦正在井下開展自然崩落采礦法試驗(yàn)。

        自然崩落采礦法是一種高強(qiáng)度、大規(guī)模、安全、低成本的采礦方法,但也是一種對(duì)礦體賦存條件和礦巖性質(zhì)有較高要求的采礦方法,適用條件是礦體厚大或傾角陡的中厚礦體,同時(shí)礦巖具有良好的可崩性。根據(jù)前期研究,夜長坪鉬礦礦體厚大且可崩性能好,適合使用自然崩落法開采,但根據(jù)礦體賦存條件和放礦要求,底部結(jié)構(gòu)工程都需布置在不穩(wěn)定的礦巖中,其中絕大多數(shù)位于氧化礦石中,而氧化礦石又是礦區(qū)最不穩(wěn)定的礦巖之一,所以回采巷道穩(wěn)定性極差,一旦巷道破壞,將會(huì)造成巨大礦量損失。而且自然崩落法受礦巷道存在時(shí)間長,受二次爆破影響頻繁,工程縱橫交錯(cuò)密集程度高,所處環(huán)境十分復(fù)雜,因此維護(hù)難度極大。據(jù)此,自然崩落法能否在夜長坪鉬礦成功應(yīng)用的關(guān)鍵,取決于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度和支護(hù)效果,解決好巷道支護(hù)問題對(duì)夜長坪鉬礦的發(fā)展具有極其重要的意義。本研究采用FLAC3D軟件,對(duì)巷道支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了模擬和計(jì)算,對(duì)不同的方案進(jìn)行了甄選,為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案和參數(shù)確定提供重要的依據(jù)。[1]。

        1 巷道工程圍巖環(huán)境

        1.1 礦巖物理力學(xué)特性

        夜長坪鉬礦根據(jù)自然崩落采礦方法的設(shè)計(jì)需要,前期做過系統(tǒng)的巖石力學(xué)研究,并主要圍繞礦巖的穩(wěn)固特性和崩落特性開展過礦巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)定工作,所得主要數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 夜長坪鉬礦巖石物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果

        1.2 應(yīng)力環(huán)境

        夜長坪鉬礦處于溝深山高的構(gòu)造發(fā)育區(qū),構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)突出。根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大和最小主應(yīng)力大致呈水平分布,即礦區(qū)地壓活動(dòng)被構(gòu)造應(yīng)力所控制。另由于礦體上部先期的開采和已形成的地表塌陷,將會(huì)造成970 m中段的垂直應(yīng)力場(chǎng)加大或局部支撐應(yīng)力集中的存在,使礦區(qū)應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜多變。從整體結(jié)果看,夜長坪鉬礦原巖應(yīng)力場(chǎng)明顯高于國內(nèi)其他礦區(qū),在有些區(qū)段測(cè)出的最大和最小應(yīng)力比值之高在國內(nèi)也是少見的,由此說明,礦區(qū)的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,且原巖應(yīng)力高,這對(duì)礦山開采尤其是對(duì)巷道工程的維護(hù)帶來極為不利影響。

        通過線性回歸分析,得出了各主應(yīng)力值(最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2和最小主應(yīng)力σ3)隨埋深H變化的特性方程[2]如下:

        式中,H為垂直方向深度,m。

        2 巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究

        2.1 分析模型的建立

        根據(jù)巷道斷面設(shè)計(jì)圖紙,選擇受礦巷道典型斷面進(jìn)行分析。巷道凈寬2.6 m,凈高2.9 m,斷面為直墻三心拱。選擇巷道位置為1 020 m水平,按照實(shí)驗(yàn)分析970 m平均埋深計(jì)算此位置埋深約為352 m,模擬采用的參數(shù)均為巖性最差的氧化礦的數(shù)據(jù)。模擬過程中對(duì)模型底部進(jìn)行了位移約束,在X方向施加最大水平應(yīng)力,Y方向施加最小水平應(yīng)力,Z方向施加垂直應(yīng)力,巷道走向垂直于最大主應(yīng)力方向。所建模型如圖1所示。

        圖1 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/p>

        2.2 不同混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

        2.2.1 3種混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算

        初次模擬混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)分3種形式:第1種形式為300 cm厚度混凝土支護(hù),第2種為400 cm混凝土,第3種為鋼纖維混凝土,3種混凝土支護(hù)都設(shè)有底梁。計(jì)算結(jié)果如表2。

        表2 不同混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)

        通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,加大混凝土的厚度和采用鋼纖維混凝土,較素混凝土的承載能力有所增強(qiáng),控制圍巖變形能力也相應(yīng)加強(qiáng)。

        通過位移矢量模擬發(fā)現(xiàn),巷道兩幫向中間移動(dòng),底板向上方移動(dòng),頂板向下方移動(dòng),說明在實(shí)際工程中,容易出現(xiàn)片幫底鼓和冒頂?shù)默F(xiàn)象;從位移趨勢(shì)可以看出,加大混凝土厚度和采用鋼纖維混凝土優(yōu)于素混凝土支護(hù)效果;另從應(yīng)力模擬可以看出,3種支護(hù)的最大水平應(yīng)力位置位于混凝土內(nèi)拱頂正中位置和底梁位置,正中心部分應(yīng)力值高達(dá)40 MPa,所以混凝土很容易在這2個(gè)位置發(fā)生破壞,從而引起頂?shù)装逯虚g位置失效產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)或破裂,導(dǎo)致兩幫向內(nèi)運(yùn)動(dòng),底板鼓起的破壞發(fā)生;從塑性區(qū)模擬也可以看出,400 mm厚度混凝土和鋼纖維混凝土塑性區(qū)面積基本相同,與300 mm厚度混凝土相差也不大,說明施工一定厚度的混凝土支護(hù)后,基本上起到了限制塑性區(qū)發(fā)展的作用,因此在實(shí)際工程中,混凝土的厚度不能無限加大,要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)成本和施工難易程度,在不同的圍巖條件下采用不同的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。

        2.2.2 增設(shè)底梁支護(hù)及壁后充填接頂模擬計(jì)算

        為了比較混凝土支護(hù)添加底梁和壁后充填接頂?shù)男ЧM(jìn)行了不同工況條件下的穩(wěn)定狀況的模擬,分為有底梁全封閉混凝土支護(hù)、無底梁混凝土支護(hù)和無底梁不接頂混凝土支護(hù)3種形式,3種計(jì)算結(jié)果如表3。

        表3 有無底梁和不接頂混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)

        通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,全封閉混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于其他2種支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過位移模擬可以看出,無底梁的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量要大于有底梁的情況,而不接頂?shù)闹ёo(hù)情況水平方向和垂直方向位移更大,混凝土發(fā)生了嚴(yán)重破壞,基本失效。再觀察應(yīng)力模擬,無底梁支護(hù)的水平應(yīng)力最大位置在頂板正中,底板位置應(yīng)力較小,這點(diǎn)不同于有底梁支護(hù),而不接頂支護(hù)的應(yīng)力最大區(qū)域位于支護(hù)結(jié)構(gòu)外部的圍巖中,說明混凝土已經(jīng)無法發(fā)揮支護(hù)作用,而由圍巖起到支撐作用;再觀察塑性區(qū),有底梁形式的塑性區(qū)面積明顯小于無底梁支護(hù)方式,而不接頂?shù)那闆r下,在近7 m的范圍內(nèi)都產(chǎn)生了破壞,說明這樣的支護(hù)明顯是失效的,因此,在實(shí)際施工中,必須施工全封閉混凝土,保證混凝土壁后充填接頂,只有這樣混凝土才能起到支護(hù)作用。

        2.2.3 混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)巷道穩(wěn)定性模擬

        巷道采用300 mm厚素混凝土有底梁的支護(hù)形式后,再采用不同長度錨桿加固,其穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表4所示。

        表4 澆灌混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)

        通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,采用錨桿進(jìn)行加固后,巷道的水平位移量明顯減小,塑性區(qū)面積也大大減小,說明施工錨桿會(huì)對(duì)限制位移和塑性區(qū)發(fā)展起到很大的作用,甚至優(yōu)于增加混凝土的厚度。

        通過位移和應(yīng)力模擬可以看出,混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步限制位移,降低混凝土承載的應(yīng)力,無論對(duì)于圍巖和混凝土結(jié)構(gòu)都是有利的;通過塑性區(qū)模擬,可以發(fā)現(xiàn)施工錨桿后,塑性區(qū)面積減小,破壞區(qū)域變小,而且隨著錨桿長度的增加,起到的作用愈加明顯,所以在實(shí)際施工中,應(yīng)該選擇混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的方式,根據(jù)塑性區(qū)模擬可以看出圍巖塑性圈在1~3 m,所以應(yīng)當(dāng)增加錨桿的長度,使錨固端楔入到塑性區(qū)外圍巖中,從而起到錨固作用[3-6]。

        3 結(jié)論

        (1)巷道的破壞主要集中在拱頂正中和底板位置,主要變形方式是拱頂下移,底板上鼓,兩幫向內(nèi)移動(dòng),相比較來說兩幫內(nèi)移量大于頂?shù)装逡苿?dòng)量。

        (2)對(duì)于混凝土厚度的選取,以及是否采用鋼纖維混凝土,要根據(jù)具體的巖石條件確定。對(duì)于極為破碎,而且巷道方向垂直于最大主應(yīng)力方向,那么應(yīng)該優(yōu)選鋼纖維混凝土;對(duì)于巖石條件較好,或巷道方向平行于最大主應(yīng)力,可以選取經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式。

        (3)混凝土施工有底梁且接頂?shù)闹ёo(hù)效果,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無底梁和不接頂?shù)那闆r,所以在生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)施工全封閉混凝土結(jié)構(gòu),而且要保證施工質(zhì)量,確保底梁的連接和壁后拱頂充填接頂。

        (4)施工混凝土且增加錨桿后可以起到很好的支護(hù)效果,所以優(yōu)選全封閉混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu),而且在實(shí)際施工中必須保證錨桿安裝質(zhì)量,來確保錨桿發(fā)揮作用。

        [1] 周貫中.夜長坪鉬礦開采優(yōu)化研究報(bào)告[R].長沙:長沙礦山研究院,2008.

        [2] 周貫中.夜長坪鉬礦區(qū)原巖應(yīng)力測(cè)試研究[R].長沙:長沙礦山研究院,2010.

        [3] 明世祥.夜長坪鉬礦采場(chǎng)巷道支護(hù)技術(shù)研究綱要[R].北京:北京科技大學(xué),2011.

        [4] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社.2005.

        [5] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        [6] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

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