吉學(xué)文，劉 輝，潘張偉，王 志，扶海鷹

(1.大興安嶺金欣礦業(yè)有限公司， 黑龍江大興安嶺市 165100;2.馳宏科技工程股份有限公司， 湖南長(zhǎng)沙 410000)

1 工程背景

大興安嶺岔路口鉬鉛鋅多金屬礦為斑巖型礦床，主要圍巖是花崗斑巖、石英斑巖、閃長(zhǎng)玢巖等。鉬礦體總體呈拉長(zhǎng)的穹窿狀，主體隱伏，現(xiàn)已控制礦脈長(zhǎng)度2600 m，剖面上控制寬度360～1260 m，最大寬達(dá)1760 m;礦體延深大于1500 m，垂直厚度一般200～900 m，最大為1097.48 m。設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為1650萬(wàn)t/a，礦體按上下分區(qū)同時(shí)開(kāi)采，采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê头侄慰請(qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄗ韵露祥_(kāi)采，上采區(qū)開(kāi)采范圍為+20～+440 m之間的礦體，上采區(qū)首采中段為140 m中段，下采區(qū)首采中段為－460 m中段，上下采區(qū)形成獨(dú)立的回風(fēng)系統(tǒng)，1#風(fēng)井為上采區(qū)的專(zhuān)用回風(fēng)井筒，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為20 a。

2 設(shè)計(jì)方案

按照井巷布置有關(guān)規(guī)定，若將1#回風(fēng)井位置設(shè)置在全礦區(qū)地表移動(dòng)界線范圍之外，距離上采區(qū)礦體約為1500 m，同時(shí)每個(gè)中段回風(fēng)井石門(mén)也長(zhǎng)達(dá)1500 m。這對(duì)于1#回風(fēng)井僅服務(wù)于上采區(qū)礦體開(kāi)采的回風(fēng)，極大增加了基建投資及通風(fēng)運(yùn)營(yíng)成本。為優(yōu)化工程布置，根據(jù)礦體賦存狀況、采礦工藝要求及地表地形，在地表初步確定了回風(fēng)井的3個(gè)位置，3個(gè)方案的回風(fēng)井距離礦體300～500 m，按照采礦設(shè)計(jì)規(guī)范及建構(gòu)筑物設(shè)計(jì)要求，通過(guò)FLAC3D三維數(shù)值模擬方法，對(duì)初步確定的回風(fēng)井3個(gè)優(yōu)選方案在不同時(shí)期(15 a，20 a)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證比較分析。

通過(guò)FLAC3D分析研究井筒位置的可行性，并與地表移動(dòng)界限外井筒位置比較，確定合理可行的井筒位置。

3 數(shù)值模擬分析

有限差分法在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬中已被廣泛運(yùn)用。采用拉格朗日法的有限差分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算分析軟件已廣泛應(yīng)用于巖土工程中，彌補(bǔ)了類(lèi)比法和解析法難以實(shí)現(xiàn)大范圍礦床開(kāi)采對(duì)井巷工程穩(wěn)定性的分析的不足，同時(shí)也更好地考慮介質(zhì)的各向異性、非均質(zhì)特性及其隨時(shí)間的變化、復(fù)雜邊界條件和介質(zhì)不連續(xù)性等復(fù)雜地質(zhì)條件。

3.1 基本假設(shè)及模型建立

由于礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響采場(chǎng)穩(wěn)定因素的多樣性，在模型建立和計(jì)算過(guò)程中采用以下簡(jiǎn)化和假設(shè):

(1)階段運(yùn)輸巷道、主井、通風(fēng)井等大量工程對(duì)整個(gè)礦山開(kāi)采穩(wěn)定性有一定的影響，但這些工程對(duì)宏觀礦區(qū)開(kāi)采的穩(wěn)定性影響較小，因此，本次研究不考慮這些工程的影響;

(2)在建模中忽略模擬范圍內(nèi)的節(jié)理、裂隙和斷層，在模擬過(guò)程中，選擇具有代表性的3個(gè)巖層(風(fēng)化帶巖組，微風(fēng)化帶巖組和未風(fēng)化帶巖組)建立圍巖;

(3)在模擬計(jì)算中，忽略爆破震動(dòng)、地震波等動(dòng)力因素及地下水對(duì)礦巖穩(wěn)定性的影響。

本次模擬過(guò)程嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)開(kāi)采進(jìn)度計(jì)劃，先進(jìn)行風(fēng)井的開(kāi)挖，然后以年為單位進(jìn)行各個(gè)中段的開(kāi)采和充填，記錄下開(kāi)采15 a和20 a對(duì)1#回風(fēng)井的穩(wěn)定性影響。經(jīng)過(guò)折減后的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 本構(gòu)模型與邊界條件

莫爾－庫(kù)侖模型是一種彈塑性本構(gòu)模型，它能反應(yīng)巖土材料剪切破壞特性，并廣泛應(yīng)用于巖土實(shí)際破壞分析中，剪切屈服函數(shù)和拉應(yīng)力屈服函數(shù)組成了莫爾－庫(kù)侖模型破壞包絡(luò)線。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

采用3Dmine和FLAC3D結(jié)合的方式建立數(shù)值計(jì)算模型。先以位置1進(jìn)行建模，根據(jù)礦區(qū)地表等高線模型圖及整個(gè)礦體的空間形態(tài)，模型的計(jì)算域長(zhǎng)×寬取為3200 m×2300 m，高度取－940 m標(biāo)高到地表。采用3Dmine軟件對(duì)礦體實(shí)體模型進(jìn)行塊處理，同時(shí)加上地表、礦體和1#回風(fēng)井的約束條件，最終生產(chǎn)模型的FLAC3D命令流文件，在塊體大小的劃分中，由于模擬范圍大，同時(shí)開(kāi)挖步驟復(fù)雜、中段高度為60 m，最終選用的最大單元格大小為50 m×50 m ×60 m，次級(jí)單元格大小為12.5 m ×12.5 m ×20 m，F(xiàn)LAC3D軟件讀取命令流后生成計(jì)算模型，位置1的模型共235989個(gè)單元。

模型四周采用可滾動(dòng)的軸支座約束側(cè)向變形，底面采用固定支座邊界類(lèi)型約束豎直方向變形，頂面為自由面。

模擬計(jì)算主要記錄3個(gè)不同風(fēng)井位置條件下應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)的變化過(guò)程，通過(guò)對(duì)比分析選取合理的風(fēng)井位置。

3.3 模擬結(jié)果

以位置1進(jìn)行分析，主要對(duì)模型內(nèi)的位移變化、應(yīng)力值變化規(guī)律和塑性區(qū)分布大小3個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)變形規(guī)律分析。開(kāi)采15 a對(duì)回風(fēng)井?dāng)M選1#位置地表造成的沉降約為65 mm，開(kāi)采20 a的最終沉降值約為85 mm。圖1中，地表最大位移區(qū)域在15 a后出現(xiàn)向右下角移動(dòng)的趨勢(shì)，是由于在模擬開(kāi)挖過(guò)程中，15 a后開(kāi)挖的80 m和20 m中段的礦體主要集中在風(fēng)井位置的右下角。距井筒腰部最近的礦體約為50 m，見(jiàn)圖2，由于該礦體為獨(dú)立礦體，開(kāi)挖跨度小，開(kāi)采對(duì)井筒的影響不大;下采區(qū)礦體開(kāi)采20 a，由于中間還隔有近400 m厚度的未采動(dòng)區(qū)域，由計(jì)算結(jié)果可知，此條件下下采區(qū)的采動(dòng)對(duì)1#回風(fēng)井的穩(wěn)定性影響不大;開(kāi)采15 a和20 a井筒底部的沉降值分別約為80 mm和120 mm。

圖1 20 a地表沉降

圖2 剖面豎向位移云圖

(2)應(yīng)力值變化規(guī)律。井筒開(kāi)挖，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在井筒的底部，為9.82 MPa，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程到20 a時(shí)，經(jīng)過(guò)開(kāi)挖和回填，模型達(dá)到新的力學(xué)平衡，內(nèi)部應(yīng)力重新進(jìn)行分配，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開(kāi)采礦體的頂板和礦柱上，如圖3所示，最大主應(yīng)力為15.32 MPa，但是井筒底部受到擾動(dòng)影響，應(yīng)力變化為8.77 MPa，出現(xiàn)了一定的應(yīng)力釋放。

(3)塑性區(qū)變化規(guī)律分析。在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，礦體及圍巖的剪切破壞和拉伸破壞都主要集中在開(kāi)采空區(qū)的頂板和礦柱區(qū)域，隨著開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，膠結(jié)充填體邊緣也出現(xiàn)了部分拉伸破壞，但是靠近1#回風(fēng)井位置并未出現(xiàn)塑性區(qū)。

同理，對(duì)其它2個(gè)方案進(jìn)行分析，得到以下數(shù)值模擬結(jié)論:

圖3 最大主應(yīng)力云圖

(1)開(kāi)采到20 a時(shí)，影響1#回風(fēng)井穩(wěn)定性的主要因素是上采區(qū)的開(kāi)采擾動(dòng)，由于上下采區(qū)之間存在厚大的未采動(dòng)區(qū)域，極大地減弱了下部開(kāi)采對(duì)回風(fēng)井的影響;

(2)模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，同時(shí)根據(jù)水平位移，可計(jì)算得出3個(gè)位置在不同年份條件下的傾斜、曲率和水平變形(見(jiàn)表3)，均符合《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50771－2012)》要求，結(jié)合井筒與礦體的三維空間位置，位置3變形位移量較小，符合國(guó)家建構(gòu)筑物規(guī)范，位置3為最佳選擇。

表2 3個(gè)擬選位置的數(shù)值模擬結(jié)果

表3 數(shù)值模擬計(jì)算移動(dòng)變形值

4 井筒優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

按照有關(guān)礦山設(shè)計(jì)規(guī)定，通風(fēng)井設(shè)計(jì)在地表移動(dòng)線以外，風(fēng)井距離礦體較遠(yuǎn)，與風(fēng)井優(yōu)化位置3相比，每個(gè)中段增加巷道及通風(fēng)路線1000 m，共有6各中段與通風(fēng)井連接，增加了工程投資5280萬(wàn)元;增加了通風(fēng)機(jī)功率200 kW，年增加了電耗共1584000度。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)模擬結(jié)果，推薦井筒位置3為最佳方案，減少了通風(fēng)井巷工程量，節(jié)約了工程投資及生產(chǎn)成本。

(2)采用FLAC3D軟件對(duì)井筒位置進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了整個(gè)礦區(qū)的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的分布規(guī)律，說(shuō)明了該方法的可行性。

(3)由模擬結(jié)果推薦井筒位置3的方案，但數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果都是在現(xiàn)有的巖體力學(xué)參數(shù)、原巖應(yīng)力場(chǎng)及簡(jiǎn)化的開(kāi)采工藝過(guò)程條件下進(jìn)行的，由于巖石條件的多變性、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)取樣的局限性、巖體結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。因此，建議在生產(chǎn)期，設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)井筒位移的變化。

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