陳 敏，史秀志

(1.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 510080；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

某石灰?guī)r礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究*

陳 敏1，史秀志2

(1.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 510080；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為提高石灰?guī)r地下礦山采礦效率和資源回收率，在某石灰?guī)r礦開(kāi)展了中深孔房柱法試驗(yàn)研究。采用三維數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS和FLAC3D進(jìn)行了中深孔房柱法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算確定的最優(yōu)方案的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房寬度15 m，間柱寬度13 m，底柱厚度15 m。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與理論基本一致，表明數(shù)值模擬方案的設(shè)計(jì)、模型的建立和參數(shù)的選擇具有一定的合理性。

石灰?guī)r礦；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

目前，石灰?guī)r地下礦山主要采用留點(diǎn)柱或連續(xù)礦柱的淺孔房柱法開(kāi)采。該類(lèi)礦山普遍存在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，采場(chǎng)生產(chǎn)能力小，通風(fēng)安全條件差，資源回收率低等問(wèn)題。本項(xiàng)目以廣東省某石灰?guī)r地下礦山為試點(diǎn)礦山，開(kāi)展中深孔房柱法安全高效回采技術(shù)研究。中深孔房柱法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一般參考類(lèi)似礦山選取，因此礦柱及頂板的穩(wěn)定性是一個(gè)重要研究課題。本文采用三維數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS和FLAC3D進(jìn)行了中深孔房柱法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算，研究成果對(duì)石灰?guī)r地下礦山開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

該礦區(qū)石灰?guī)r屬下二疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，主要巖性為灰黑色中厚層狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及白色大理巖。礦石結(jié)構(gòu)致密，礦層厚度較大，連續(xù)完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育。礦石單軸抗壓強(qiáng)度62.2～63.6 MPa，平均62.9 MPa。礦石巖質(zhì)完整新鮮，為堅(jiān)硬巖石，工程性能良好。

礦山采用斜坡道開(kāi)拓，汽車(chē)運(yùn)輸。中深孔房柱法試驗(yàn)采場(chǎng)礦房長(zhǎng)60 m，寬15 m，高18 m。礦房分二層回采，上分層高8 m，下分層高10 m。首先在礦房頂部掘進(jìn)一條切頂巷道，鑿巖設(shè)備采用Boomer281掘進(jìn)臺(tái)車(chē)，巷道斷面5 m×6 m，作為人行、通風(fēng)、出渣的運(yùn)輸巷道。其次，以切頂巷道作為爆破自由面，逐步擴(kuò)幫形成寬12～15 m、高6～8 m的切頂空間，并根據(jù)頂板巖石的穩(wěn)固程度進(jìn)行噴砼或噴錨支護(hù)。再次，采用Tamrock Ranger 600潛孔鉆機(jī)在切頂空間下鉆鑿8～10 m深的下向平行中深孔，選用2#巖石炸藥，人工連續(xù)柱狀裝藥，以切割槽為補(bǔ)償空間分段微差爆破。最后，崩下的礦石用PC-200挖掘機(jī)或ZL50C裝載機(jī)裝礦，10 t載重自卸式汽車(chē)經(jīng)斜坡道運(yùn)出地表。中深孔房柱法采礦方法見(jiàn)圖1。

2 數(shù)值模型建立

本次數(shù)值計(jì)算采用ANSYS軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，采用FLAC3D軟件進(jìn)行后處理計(jì)算。

2.1 基本假設(shè)及破壞準(zhǔn)則

為方便建模和數(shù)值模擬計(jì)算，本次研究做如下假設(shè)：

(1) 假設(shè)礦體和圍巖為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，不考慮裂隙、節(jié)理和斷層的影響；

(2) 忽略井巷工程對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響；

(3) 只考慮重力對(duì)模型的影響，不考慮爆破震動(dòng)、地震波及地下水的影響 。

礦體主要為大理巖、灰?guī)r等巖性巖石組成，適用莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

2.2 計(jì)算方案及數(shù)值模型

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要影響因素如采場(chǎng)跨度、間柱寬度、隔離礦柱厚度都有較大取值范圍，為使其有充分的代表性，采場(chǎng)跨度取12～18 m，間柱寬度取11～15 m，頂柱厚度取13～17 m，礦房高度為18 m，計(jì)算方案見(jiàn)表1。

圖1 中深孔房柱法采礦方法

表1 計(jì)算方案表

根據(jù)礦體的賦存條件、試驗(yàn)采場(chǎng)的位置以及開(kāi)挖的影響范圍，建立了三維計(jì)算模型。計(jì)算域沿走向長(zhǎng)400 m(Z方向)，垂直走向長(zhǎng)400 m(X方向)，鉛垂高度250 m(Y方向)。模型建立地表曲面，表土層取10 m。模型簡(jiǎn)化處理，12個(gè)礦房的上分段為1～6號(hào)礦房，下分段為7～12號(hào)礦房。沿走向布置采場(chǎng)模型見(jiàn)圖2。

圖2 沿走向布置采場(chǎng)模型

2.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)及邊界條件

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的巖石力學(xué)參數(shù)，采用工程化處理后的巖體強(qiáng)度參數(shù)作為數(shù)值模擬中所用的巖體強(qiáng)度。數(shù)值計(jì)算模型巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值計(jì)算模型巖體物理力學(xué)參數(shù)表

由于該礦未能進(jìn)行原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)，故僅考慮重力場(chǎng)。模型下表面限制垂直方向位移，四個(gè)側(cè)面法向約束，上表面自由。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，方案1～3拉應(yīng)力最大值、主應(yīng)力最大值、剪應(yīng)力最大值及頂?shù)装逦灰朴?jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方案1～3各采場(chǎng)應(yīng)力及位移值

注：(1)上表中壓應(yīng)力為“-” ，拉應(yīng)力為“+” ;(2)上表中位移“-”表示沿Z軸負(fù)方向，反之為正。

3.2 應(yīng)力對(duì)比分析

從拉應(yīng)力最大值等值云圖可知，3個(gè)方案的拉應(yīng)力最大值均小于巖體極限抗拉強(qiáng)度。通過(guò)比較開(kāi)挖下分段拉應(yīng)力值可以看出，方案1的拉應(yīng)力最大值明顯小于其他2個(gè)方案，但方案1礦房跨度較小，增大了采切工程量，降低了資源回收率。由此可見(jiàn)，方案2、方案3為可選方案。

從主應(yīng)力最大值應(yīng)力等值云圖可知，3個(gè)方案的主應(yīng)力最大值均小于巖體極限抗壓強(qiáng)度。通過(guò)比較各方案拉應(yīng)力最大值可以看出，方案2主應(yīng)力最大值相比方案1、方案3小，采場(chǎng)安全性更好。從主應(yīng)力角度考慮，方案2為較優(yōu)方案。

從剪應(yīng)力最大值等值云圖可知，各方案最大剪應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于巖體的抗剪強(qiáng)度。開(kāi)挖上分段時(shí)，方案2的剪應(yīng)力值最小，開(kāi)挖下分段后，方案1的剪應(yīng)力值較小。從剪應(yīng)力角度考慮，方案1、方案2為可選方案。

3.3 位移對(duì)比分析

從各方案位移等值云圖可知，隨著采場(chǎng)跨度尺寸的增大，頂板下沉位移值呈遞增趨勢(shì)，底板上升位移值也呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)采場(chǎng)跨度一定時(shí)，頂、底板位移值隨著礦柱尺寸的增加而呈線減小的趨勢(shì)，但不是很明顯，最大位移為5.527 mm，總體來(lái)看這些變形都在允許范圍之內(nèi)。因此，從頂?shù)装遄畲筘Q直位移對(duì)采場(chǎng)安全性影響而言，各方案的優(yōu)劣順序?yàn)椋悍桨?、方案2、方案3。由于方案1采切比較大、資源回收率低，而方案3因采場(chǎng)跨度大，頂?shù)装逦灰埔泊?，安全性相?yīng)降低，綜合比較方案2為可選方案。

3.4 塑性區(qū)對(duì)比分析

根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，巖體的強(qiáng)度大大降低，承載能力也隨著強(qiáng)度的降低而降低，塑性區(qū)體積的大小也是判斷其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

從模擬結(jié)果可以看出，方案1、方案3出現(xiàn)了面積極小的塑性區(qū)，但對(duì)采場(chǎng)安全造成的影響不大，各采場(chǎng)安全性良好。從保證礦柱的穩(wěn)定性，盡量避免出現(xiàn)塑性區(qū)角度考慮，方案2為可選方案。

綜合分析應(yīng)力、位移、塑性區(qū)、采切比及回采率等因素，方案2為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

(1) 本次數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與已有研究理論基本一致，表明數(shù)值模擬設(shè)計(jì)的方案、建立的模型和選取的參數(shù)是合理的，計(jì)算結(jié)果科學(xué)合理、真實(shí)可信，對(duì)礦山生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

(2) 通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，試驗(yàn)采場(chǎng)的安全性都良好，在考慮應(yīng)力、位移、塑性區(qū)、回采率及采切工程量等因素的條件下，確定最優(yōu)方案的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房寬度15 m，間柱寬度13 m，底柱厚度15 m。

(3) 由于數(shù)值模擬計(jì)算的局限性而進(jìn)行了必要的假設(shè)，雖然數(shù)值模擬結(jié)果從理論上講是安全的，但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍需采取必要的安全管理措施，才能保障回采工作安全高效的進(jìn)行。

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廣東省安全生產(chǎn)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009D140).

2014-08-26)

陳 敏(1965-)，男，采礦高級(jí)工程師，主要從事礦山設(shè)計(jì)與研究工作,Email：htp3639@126.com。