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        頂柱穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬研究

        2015-04-03 09:31:38李何林
        金屬礦山 2015年1期
        關(guān)鍵詞:頂柱采場(chǎng)主應(yīng)力

        李何林 胡 崴

        (1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司,安徽馬鞍山243000)

        徐樓鐵礦石樓一礦帶位于閃長(zhǎng)巖與大理巖接帶,或其附近的大理巖內(nèi),沿閃長(zhǎng)巖床上下兩側(cè)礦體呈水平狀,礦體埋深從60~160m。上覆有第四系巖層,頂?shù)装逯饕獮榇罄韼r和閃長(zhǎng)巖,但其厚度較薄。礦體埋藏于侵蝕基準(zhǔn)面及地下水位之下,礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體走向基本為東西向,在走向方向,礦體埋藏西高東低,整個(gè)礦體分三步回采,一、二步回采礦塊,三步回采間柱和頂柱。

        開(kāi)采防水頂柱,主要是要防止由于頂柱采動(dòng),地表或含水層經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶下泄至采空區(qū)造成淹井事故,然而,井下開(kāi)采對(duì)頂板巖層以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,因地質(zhì)條件不同,不同礦山存在極大差異。本研究借助計(jì)數(shù)值模擬手段,對(duì)徐樓-45 m防水頂柱的回采過(guò)程進(jìn)行分析,為礦山安全、高效開(kāi)采提供依據(jù)和指導(dǎo)。

        1 數(shù)值模型的建立

        1.1 基本假設(shè)

        (1)巖性,將巖體視為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)[1]。

        (2)初始地應(yīng)力,徐樓鐵礦,初始地應(yīng)力場(chǎng)僅按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

        (3)開(kāi)挖,礦體開(kāi)挖過(guò)程為一次形成,不考慮時(shí)間效應(yīng)[2]。

        1.2 模型的幾何尺寸

        X方向?yàn)榈V體走向方向,取待回采的頂柱長(zhǎng)度的3~5倍(700 m);Y方向?yàn)榈V體傾向方向,取采場(chǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度300 m;Z方向?yàn)榈V體埋深方向,取值大小為400m。模型長(zhǎng)×高×寬為700 m×400 m×300 m(見(jiàn)圖1)。

        圖1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D M odel

        1.3 模型巖體參數(shù)的確定

        以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按數(shù)值模擬需要,對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減(按類(lèi)似礦山地下工程經(jīng)驗(yàn)及徐樓鐵礦巖體完整性系數(shù),參數(shù)折減系數(shù)取0.3~0.5),巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1 The physical and mechanical properties of the rock

        1.4 數(shù)值模擬計(jì)算方案

        對(duì)-45 m以上防水頂柱分層開(kāi)采過(guò)程采場(chǎng)頂板的受力情況進(jìn)行分析。由于巖體抗拉強(qiáng)度很低,當(dāng)采場(chǎng)圍巖中出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)時(shí),該區(qū)域內(nèi)巖體極易發(fā)生張性破壞,破壞范圍與拉應(yīng)力影響范圍密切相關(guān),故本次模擬主要對(duì)頂板巖層最大主應(yīng)力進(jìn)行分析,根據(jù)頂板巖層的最大主應(yīng)力的大小及分布情況,確定不同的頂柱回采高度對(duì)頂板巖層的穩(wěn)定性的影響。采用3、6、9 m 3種不同的回采高度分別進(jìn)行計(jì)算,具體情況如表2所示。

        表2 數(shù)值模擬計(jì)算方案Table2 Numerical simulation p lan m

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        3 種不同的分層高度開(kāi)采后,頂板的最大主應(yīng)力分布特征如圖2、圖3和圖4所示。

        由圖2、圖3及圖4分析可知,3種不同分層厚度頂柱回采,其拉應(yīng)力具有相同的分布規(guī)律,拉應(yīng)力在水平方向分布于整個(gè)采場(chǎng)頂板,在豎直方向分布于采空區(qū)頂板以上高度約12~15m;最大拉應(yīng)力位于采場(chǎng)頂板中心位置,并從頂板中心向四周遞減;回采3、6和9 m頂柱時(shí),最大拉應(yīng)力值為分別為0.60、0.61和0.63 MPa,隨著回采高度的增加,最大拉應(yīng)力值略有增大。

        圖2 回采3m頂柱時(shí)最大主應(yīng)力云圖Fig.2 M aximum principal stress nephogram of 3 m need le stoping

        圖3 回采6m頂柱時(shí)最大主應(yīng)力云圖Fig.3 M aximum principal stress nephogram of 6 m needle stoping

        圖4 回采9m頂柱時(shí)最大主應(yīng)力云圖Fig.4 M aximum principal stress nephogram of 9 m needle stoping

        3 結(jié)論

        (1)不同厚度頂柱回采其拉應(yīng)力分布具有普遍規(guī)律,隨著回采厚度的增加,拉應(yīng)力分布范圍和最大拉應(yīng)力值不會(huì)發(fā)生明顯的變化,因此,在一定范圍內(nèi)不同厚度頂柱回采對(duì)頂板穩(wěn)定性影響較小。

        (2)根據(jù)拉應(yīng)力的分布情況,可以認(rèn)為在頂柱回采作業(yè)時(shí)影響范圍為空區(qū)上方約12~15 m的礦巖體。故為保證回采安全,應(yīng)在采空區(qū)與風(fēng)化帶(風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育,與含水層相連)之間至少預(yù)留厚度為15 m的礦巖體作為隔離層。

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