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        金川二礦1150 m水平礦柱回采穩(wěn)定性數(shù)值計算研究

        2014-03-22 01:21:30彭府華
        采礦技術(shù) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:圍巖有限元水平

        鄒 龍, 彭府華

        (1.金川集團股份有限公司二礦區(qū), 甘肅 金昌市 737104;2. 長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,

        0 前 言

        金川二礦區(qū)為我國特大型地下礦山,礦體厚度大,水平投影面積大,走向長度長。該礦礦體與圍巖較為破碎、地應(yīng)力大,為難采型地下礦床,采用的采礦方法為機械化盤區(qū)下向分層水平進路膠結(jié)充填采礦法。

        金川二礦區(qū)由于采用多中段大面積連續(xù)開采,在1150和1000兩個采礦中段之間形成了約長600 m、平均寬120 m的特大型水平礦柱,水平礦柱上方充填體約為1000萬m3,下方約為500萬m3。特大型水平礦柱的開采在金川礦山尚屬首次,在國內(nèi)外礦山也沒有先例。回采過程中,應(yīng)力集中是否會導(dǎo)致水平礦柱突然失穩(wěn)破壞。水平礦柱回采結(jié)束后,1150中段充填體必然會與1000中段充填體疊加,上部充填體將會失去原有水平礦柱的支撐,是否會加劇上部充填體的下沉變形,上下盤圍巖會不會向充填空間大范圍變形,造成大面積來壓值得深入研究。因此,水平礦柱的安全回采引起了國內(nèi)各大研究院所、高校及同行專家的高度關(guān)注。本文基于水平礦柱回采安全問題,采用有限元數(shù)值模擬方法對1150 m水平礦柱開采前、開采過程和開采后的穩(wěn)定性進行了計算。

        1 三維數(shù)值模型建立

        1.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

        由于采礦形成的水平礦柱主要位于1150~1170 m水平之間,同時考慮開挖影響范圍,故考慮將三維模型的上下兩個邊界范圍定為1110 m水平和1210 m水平。其余邊界模型x方向從-100 m到1000 m變化,y方向從-300 m到800 m變化。本文重點研究的水平礦柱的有限元模型見圖1,從圖1可以看出,由于連年的不斷開采,水平礦柱如今出現(xiàn)VIII~V區(qū)厚而III~I區(qū)相對薄的情況。

        圖1 水平礦柱有限元網(wǎng)格

        水平礦柱的穩(wěn)定性與其周圍的圍巖息息相關(guān),在構(gòu)建完水平礦柱有限元模型后,也需建立相應(yīng)的圍巖有限元模型,如圖2所示。全部模型總共采用78066個SOLID92單元,108531個節(jié)點。

        1.2 初始應(yīng)力場與材料力學(xué)參數(shù)

        有限元計算過程中,所有材料的本構(gòu)模型均為DP模型,采用的力學(xué)參數(shù)如表1所示。在1110 m水平固定該水平上的所有節(jié)點位移,然后對四個側(cè)面施加力邊界,力邊界應(yīng)力大小與初始地應(yīng)力場相適應(yīng),即:

        (1)

        2 穩(wěn)定性數(shù)值計算

        2.1 開采前水平礦柱穩(wěn)定性研究

        圖2 圍巖網(wǎng)格

        經(jīng)過有限元計算,水平礦柱的塑性區(qū)如圖3所示,從圖3可以看出,水平礦柱中未出現(xiàn)塑性區(qū),這說明水平礦柱是穩(wěn)定的,按照現(xiàn)有的采礦方案,礦體采、充能夠保證水平礦柱的安全性。另外,水平礦柱的第三主應(yīng)力如圖4所示,從圖4可以看出,整個模型內(nèi)水平礦柱第三主應(yīng)力從-14.6 MPa到-96.5 MPa之間變化(為壓應(yīng)力)。壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第VI盤區(qū)1150水平靠北邊界處,該處是下一步開采應(yīng)著重注意的區(qū)域,由于最大壓應(yīng)力的比值已超過5.5倍,該處礦體存在受壓破壞的危險。

        表1 計算采用力學(xué)物理力學(xué)參數(shù)

        圖3水平礦柱塑性區(qū)

        圖4 水平礦柱第三主應(yīng)力

        圖5是水平礦柱的第一主應(yīng)力,從圖5可以看出,礦柱的第一主應(yīng)力從-4.2 MPa到-33.2 MPa之間變化,因而水平礦柱不存在受拉破壞的可能。

        2.2 開采后水平礦柱穩(wěn)定性研究

        對現(xiàn)有礦柱下一步預(yù)計進行開采的礦體進行開采模擬,從而分析水平礦柱的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明:水平礦柱第三主應(yīng)力在每個盤區(qū)的圍巖界面都出現(xiàn)了很大的壓應(yīng)力集中,壓應(yīng)力最大值已遠遠超過巖體的抗壓強度;第一主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力也遠遠超過巖體的抗拉強度,各盤區(qū)拉應(yīng)力集中主要集中在靠近礦體邊界區(qū)域。若一次性開挖全部礦體,水平礦柱的穩(wěn)定性不良,這也間接說明了開展礦體開采順序優(yōu)化的必要性。

        2.3 充填后水平礦柱穩(wěn)定性研究

        對開采后的礦體進行充填的數(shù)值模擬,進而分析充填后水平礦柱的穩(wěn)定性。圖6是下一步采礦空區(qū)充填后水平礦柱的第三主應(yīng)力圖,結(jié)果顯示,充填后水平礦柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善,最大壓應(yīng)力減小為94.7 MPa。圖7是下一步礦體充填后水平礦柱的第一主應(yīng)力云圖,該圖說明充填后第一主應(yīng)力集中的現(xiàn)象也有所改善。第三主應(yīng)力和第一主應(yīng)力云圖都說明了充填對提高礦柱穩(wěn)定性的作用。

        為了描述水平礦柱接近破壞的程度,定義安全因子為:

        (2)

        圖5 水平礦柱第一主應(yīng)力

        圖6 充填后水平礦柱第三主應(yīng)力

        圖7 充填后水平礦柱第一主應(yīng)力

        通過定義的安全因子可以從另一方面對礦柱的穩(wěn)定性進行定量評價。表2是充填后水平礦柱各盤區(qū)安全因子的計算結(jié)果。從表2可以看出,水平礦柱回采后各盤區(qū)安全因子為1.4~3.9。

        3 結(jié) 論

        本文建立了水平礦柱回采數(shù)值計算三維模型,模擬了水平礦柱回采前后塑性區(qū)域和應(yīng)力場的變化情況,計算結(jié)果表明:回采前,水平礦柱未出現(xiàn)塑性區(qū)域,水平礦柱穩(wěn)定性較好,回采后,每個盤區(qū)開采的圍巖界面都出現(xiàn)了很大的壓應(yīng)力集中,充填后,水平礦柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善,說明充填對提高礦柱穩(wěn)定性的作用,并且充填后水平礦柱的安全因子都大于1.4,顯示充填后水平礦柱穩(wěn)定性良好。

        表2 充填后水平礦柱各個盤區(qū)安全因子

        參考文獻:

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        [3]朱遠樂,袁 理,王 濤.金川公司二礦區(qū)高應(yīng)力條件下卸荷開采技術(shù)數(shù)值模擬分析研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013,33(6):8-11,79.

        [4]馬鳳山,袁仁茂,鄧清海,等. 金川礦山地表巖移GPS監(jiān)測及巖體采動影響規(guī)律[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2007,15(s2):84-97.

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        [6]金川有色金屬公司,中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會金川分會. 金川鎳礦開采的工程地質(zhì)與巖石力學(xué)問題[R]. 金昌:金川有色金屬公司,中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會金川分會,1996.

        [7]李得賢,彭府華. 金川礦山兩體巖石力學(xué)問題初探[J].采礦技術(shù),2011,11(5):26-28.

        [8]馬崇武,幕青松,等.金川二礦區(qū)1150 m中段水平礦柱的屈服破壞過程[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(3):361-365.

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