林國洪

（江西銅業(yè)股份公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

0 引 言

武山銅礦北礦帶是該礦區(qū)的主要生產(chǎn)礦帶，北礦帶主要礦體賦存于斷裂破碎帶中，礦帶礦體上盤圍巖為鐵質(zhì)黏土、高嶺土等強(qiáng)風(fēng)化巖組；下盤圍巖為泥盆系上統(tǒng)含礫石英砂巖，與北礦帶礦體呈不整合接觸，含礫石英砂巖節(jié)理發(fā)育，在節(jié)理密集地段，巖體分割成碎塊狀，呈碎裂結(jié)構(gòu).武山銅礦現(xiàn)采用下向進(jìn)路式膠結(jié)充填法回采礦體，該方法采礦作業(yè)面頂板為膠結(jié)充填體，因此膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性對該采礦方法至關(guān)重要.膠結(jié)充填體頂板在自重應(yīng)力、爆破振動等作用下經(jīng)常產(chǎn)生不同深度和角度的裂隙，從而導(dǎo)致充填體整體強(qiáng)度下降，容易發(fā)生頂板冒落事故，在開采過程中存在安全隱患，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅.

裂隙對頂板穩(wěn)定性的影響比較復(fù)雜，它涉及到裂隙寬度、深度等諸多方面，而武山銅礦采場中出現(xiàn)的裂隙主要以垂直裂隙為主，為了研究裂隙對采場頂板穩(wěn)定性的危害程度，有必要通過數(shù)值模擬方法，對膠結(jié)充填體頂板穩(wěn)定性影響進(jìn)行分類，以便礦山技術(shù)人員掌握裂隙狀態(tài)確定頂板是否需要支護(hù)[1-4].

1 模擬軟件介紹

采用 GeoStudio2007的 SIGMA/W 模塊和ANSYS軟件來模擬采場中含裂隙頂板的應(yīng)力應(yīng)變情況，通過2個數(shù)值軟件模擬結(jié)果的對比驗證，分析含裂隙頂板穩(wěn)定性情況.

GeoStudio2007的SIGMA/W模塊是一款用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分析的有限元軟件，它可以分析簡單和高度復(fù)雜的問題，可應(yīng)用于巖土、土木和采礦工程的分析和設(shè)計[5].

ANSYS軟件計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析 （可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)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，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力[6-7].

2 模擬準(zhǔn)備

2.1 模型的建立及尺寸

地下工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響采場穩(wěn)定的因素也很多，在保證計算結(jié)果可靠性的前提下做一些假設(shè)和簡化：①模擬介質(zhì)（巖體及充填體）為理想的彈塑性體；②忽略模擬介質(zhì)變形的時間效應(yīng)以及地下水對介質(zhì)的影響；③進(jìn)路的受力及變形是平面應(yīng)變問題；④模擬巖體及充填體為均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；⑤只考慮自重應(yīng)力場對模型形成的影響.

模型的幾何尺寸可根據(jù)計算目的及采礦工藝確定，工程實際中開采斷面尺寸4 m×3 m（寬×高），且地下局部開挖僅對其周圍3～5 m范圍內(nèi)有擾動影響，因此設(shè)計進(jìn)路上、下、左、右模擬介質(zhì)的尺寸為進(jìn)路尺寸的5倍.考慮進(jìn)路長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)路的寬度及高度，因此可將本算例視為平面應(yīng)變問題，通過分析最終確定計算模型幾何尺寸44 m×33 m（寬×高），如圖1、圖2所示.

圖1 GeoStudio計算模型示意圖

圖2 ANSYS計算模型示意圖

本次模擬目的是關(guān)注開采進(jìn)路斷面含裂隙頂板在豎直方向的位移變化、塑性區(qū)覆蓋面積及出現(xiàn)位置，故網(wǎng)格在裂隙附近進(jìn)行加密處理，采用網(wǎng)格基本單元長度為1 m，在裂隙位置處，裂隙在豎直方向網(wǎng)格單元長度為0.005 m，裂隙水平方向網(wǎng)格單元長度為0.001m.模型在豎直方向從上至下分為上覆圍巖層、充填體層、礦層3個主要分層，為了模擬方便，將上部巖層的重量利用加載來實現(xiàn)，加載力的大小根據(jù)上覆巖層的容重來確定[8].

2.2 本構(gòu)模型及邊界條件

數(shù)值模擬涉及到的巖石、充填體均屬于彈塑性材料，可采用能考慮剪切破壞并直觀顯示主應(yīng)力的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的剪切破壞判據(jù)為：

其中：

式(1)、式(2)中：σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；c、φ分別為材料黏聚力、內(nèi)摩擦角.fs為破壞判斷系數(shù)，當(dāng)fs≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài)；當(dāng)fs≤0時，材料處于彈性變形階段.

模型的左右邊界限制水平向位移，模型下邊界固定，上邊界施加上覆巖層重量[9].

2.3 充填體力學(xué)參數(shù)

模擬材料的力學(xué)參數(shù)見表1所示.

表1 巖體及充填介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

2.4 模擬方案設(shè)計

本次數(shù)值模擬采用正交試驗設(shè)計，主要是針對不同寬度、不同深度垂直裂隙對充填體頂板穩(wěn)定性的影響.武山銅礦采場出現(xiàn)的裂隙寬度在1～3 cm范圍之內(nèi)，因此確定模擬裂隙的寬度分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm.北礦帶中段高度為50 m，分段高度為10 m，采場分層高度3.5 m，模擬裂隙深度分為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、300 cm和400 cm.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 ANSYS結(jié)果分析

運(yùn)用ANSYS模擬軟件分別得出了不同裂隙寬度、深度條件下在X方向和Y方向的拉應(yīng)力以及平面拉應(yīng)力[10].

受篇幅所限本文只介紹平面拉應(yīng)力，通過提取ANSYS軟件計算結(jié)果中平面拉應(yīng)力圖，如圖3所示.利用Matlab軟件對圖像進(jìn)行處理，計算出不同裂隙寬度、深度條件下平面拉應(yīng)力面積.如表2所示.

根據(jù)表2中的平面拉應(yīng)力面積數(shù)據(jù)繪制了不同寬度、深度裂隙拉應(yīng)力面積變化曲線見圖4.

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，裂隙深度在0～50 cm范圍內(nèi)，裂隙處所受拉應(yīng)力區(qū)域面積隨著深度的增加而增大；在50～100 cm范圍內(nèi)時拉應(yīng)力區(qū)域面積驟然下跌，驟變原因是在裂隙深度在100 cm時，裂隙X方向的拉應(yīng)力向裂隙深處發(fā)展，靠近裂隙深處的拉應(yīng)力面積在增加，而在靠近頂板位置的拉應(yīng)力面積相對于裂隙深度100 cm以下的拉應(yīng)力面積減??；在裂隙深度100 cm之后，隨著裂隙深度的增加而拉應(yīng)力面積在增大，因此從平面拉應(yīng)力面積變化趨勢看，100 cm深度是裂隙拉應(yīng)力分布變化的一個分界點(diǎn).

圖3 30 mm寬、100 cm深裂隙ANSYS模擬結(jié)果

表2 不同深度、寬度裂隙平面拉應(yīng)力面積/m2

圖4 不同寬度不同深度裂隙拉應(yīng)力面積變化曲線

3.2 GeoStudio結(jié)果分析

分析Y方向的位移以30 mm寬裂隙為例，我們發(fā)現(xiàn)30 mm寬度裂隙隨著裂隙深度的增加，Y方向的下沉位移在增大，Y方向的位移等值線由平緩逐漸向裂隙處發(fā)展，呈倒三角形.在裂隙靠近頂板位置處出現(xiàn)新的位移，并且隨著裂隙深度的增加裂隙靠近頂板位置處位移等值線區(qū)域在逐漸增加，其他寬度裂隙也呈類似狀況.模擬顯示裂隙在深度為100 cm后，裂隙頂板下沉位移在增加，因此100 cm是裂隙受力狀態(tài)的一個分界點(diǎn)，如圖5所示.

圖5 30 mm寬、100 cm深裂隙GeoStudio模擬結(jié)果

分析裂隙周圍塑性區(qū)分布仍以30 mm寬裂隙模擬數(shù)據(jù)為例，結(jié)果顯示相同寬度的裂隙隨著裂隙深度的增大，開采斷面上方的塑性區(qū)逐漸向裂隙附近發(fā)展，在150 cm深度時，裂隙附近塑性區(qū)向裂隙頂端位置回合；在300 cm時裂隙塑性區(qū)貫通，此時裂隙可能會引起頂板發(fā)生局部冒落，在400 cm時，裂隙頂端整體貫通，頂板會直接冒落，因此對于充填體頂板裂隙，裂隙深度為300 cm是頂板受力的一個分界點(diǎn)，同時在裂隙寬度較小情況下，裂隙深度是影響充填體頂板穩(wěn)定性的主要影響因素.

4 頂級穩(wěn)定性分級與支持建議

4.1 穩(wěn)定性分級

分析GeoStudio和ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果可知，裂隙深度是裂隙受力狀態(tài)的主要影響因素，并且裂隙深度100 cm和300 cm是裂隙處受力狀態(tài)的一個分界點(diǎn)[11].結(jié)合武山銅礦北礦帶下向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法，分析不同寬度不同深度垂直裂隙的拉應(yīng)力區(qū)、塑性區(qū)及位移情況，膠結(jié)充填體頂板穩(wěn)定性級別可分為三級,具體見表3.

4.2 支護(hù)建議

采場支護(hù)是指在回采過程中對采場頂板、圍巖進(jìn)行加固的作業(yè)，以保障回采順利進(jìn)行.對膠結(jié)充填體頂板中出現(xiàn)的裂隙進(jìn)行分級，根據(jù)分級結(jié)果，確定是否需要支護(hù)[12].

表3 膠結(jié)充填體含裂隙頂板穩(wěn)定性分級

1）對于膠結(jié)充填體頂板內(nèi)出現(xiàn)的單個裂隙的級別情況可根據(jù)以下建議進(jìn)行處理：Ⅰ級：根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，頂板下沉位移較小，且頂板處于彈性變形狀態(tài)，因此不進(jìn)行支護(hù)處理，在生產(chǎn)作業(yè)期間中，繼續(xù)對該處裂隙探測，以確定裂隙是否會繼續(xù)發(fā)展.Ⅱ級：該級裂隙隨著裂隙深度的增加，拉應(yīng)力區(qū)域沿著裂隙深度發(fā)展，且下沉位移逐漸增大，塑性區(qū)也在擴(kuò)大，因此在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用木支護(hù)，支護(hù)間隔不大于1 m，且頂板用木垛背實，支護(hù)坑木直徑不小于Φ18 cm.Ⅲ級：該級裂隙在裂隙處出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，位移下沉明顯增大，因此在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用密集木支護(hù)，支護(hù)間隔不大于0.5 m，且頂板用木垛背實，支護(hù)坑木直徑不小于Φ18 cm，同時該進(jìn)路盡快充填.

2）對膠結(jié)充填體頂板某區(qū)域密集出現(xiàn)多個裂隙級別情況時可根據(jù)以下建議進(jìn)行處理：Ⅰ級：不進(jìn)行支護(hù)處理，在生產(chǎn)作業(yè)期間中，繼續(xù)對該處裂隙探測，以確定裂隙是否會繼續(xù)發(fā)展.Ⅱ、Ⅲ級：在裂隙出現(xiàn)區(qū)域采用密集木支護(hù)，支護(hù)間隔不大于0.5 m，且頂板用木垛背實，支護(hù)坑木直徑不小于Φ18 cm，同時該進(jìn)路盡快充填.

5 結(jié) 論

通過對裂隙進(jìn)行分級，發(fā)現(xiàn)武山銅礦目前出現(xiàn)的裂隙多處于Ⅰ級別；位于-230 m中段E10盤區(qū)裂隙2處于Ⅱ級，說明武山銅礦多進(jìn)路開采的情況下，膠結(jié)充填體頂板中出現(xiàn)裂隙屬于小概率事件，頂板的穩(wěn)定性關(guān)鍵在于充填的灰砂比.對于已經(jīng)出現(xiàn)的頂板裂隙可運(yùn)用前述處理建議作為處理措施[13].

[1]GB50771－2012.有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范[S].

[2]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[3]李華，焦彥杰，楊俊波.淺析地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在我國的發(fā)展及應(yīng)用[J].物探化探計算技術(shù)，2010，32（3）：292-299.

[4]黃玲，曾紹發(fā)，劉四新，等.鋼筋混凝土缺陷的探地雷達(dá)（gpr）檢測研究［C］//中國地球物理第 21屆年會論文集，長春：吉林大學(xué)出版社，2005：201.

[5]李俊平，連民杰.礦山巖石力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[6]崔棟梁，李夕兵，李永剛,等.數(shù)值模擬在新城金礦V礦體開采中的應(yīng)用[J].有色金屬（礦山部分），2006，58（6）：1-4.

[7]李明，胡乃聯(lián)，于芳,等，ANSYS軟件在尾礦壩穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].有色金屬（礦山部分），2005，57（5）：45-47.

[8]程進(jìn).基于ANSYS的程序界面設(shè)計及應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2002，28（6）：49-52.

[9]王鳳麗.在ANSYS中建立復(fù)雜有限元模型[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2003，8（3）：22-24.

[10]譚建國.使用ANSYS6.0進(jìn)行有限元分析[M].北京：北京大學(xué)出版社，2002.

[11]王新民，王長軍，張欽禮，等.基于ANSYS程序下的采場穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2008，386：17-20.

[12]施建俊，孟海利.采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與回采順序的數(shù)值模擬優(yōu)化研究[J].有色金屬（礦山部分），2005，57（2）：9-11.

[13]王友海.大型有限元分析軟件ANSYS的特點(diǎn)[J].建筑機(jī)械，2000（9）：56-59.