周德紅

(武漢工程大學 資源與土木工程學院)

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基于FLAC3D的大冶鐵礦礦柱回采過程靜力分析*

周德紅

(武漢工程大學 資源與土木工程學院)

摘要以大冶鐵礦礦柱回采過程為例，采用動力有限元法對其在動力擾動下的響應靜力特征進行分析，選取壓力20，30，40 MPa，采用FLAC3D對其荷載進行數(shù)值模擬分析。結果表明，礦柱模型在不同荷載下，豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區(qū)域主要集中于模型底部，隨著荷載的增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，礦柱底部出現(xiàn)明顯應力集中現(xiàn)象；并且在3種荷載時，礦柱模型均未出現(xiàn)塑性區(qū)，在40 MPa豎向靜荷載作用下，礦柱穩(wěn)定性較好。

關鍵詞礦柱豎向應力塑性區(qū)FLAC3D采空區(qū)

礦山采空區(qū)中任一礦柱的失穩(wěn)都會導致其上部大規(guī)模采空區(qū)群的失穩(wěn)，最終形成多米諾骨牌式的連鎖坍塌。為了認識礦山采空區(qū)群的整體穩(wěn)定性，研究承受高應力下的礦柱對動力擾動的響應有著十分重要的意義[1-3]。本文以大冶鐵礦采空區(qū)礦柱作為研究對象，運用動力有限元法對其在動力擾動下的響應靜力特征進行模擬分析，為礦柱回采工作提供技術依據(jù)。

1工程概況

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū)境內，為低山-丘陵組成的山丘-盆地地形；山脈走向NWW，與構造線走向一致；地勢北高南低，低山與丘陵之間走向為NWW—SEE。鐵門坎采區(qū)淺部礦體于1984年7月結束露天開采，坑底標高為-36 m。-36 m以下及掛幫礦轉為地下開采。該礦區(qū)地下開采階段高60 m，分段高12 m，采用無底柱分段崩落法開采。到2005年底，-62 m分段及以上分段已開采完畢。

-62～-50 m區(qū)段充填有大量黃泥，黃泥下泄會影響下分段采礦，對-62 m分段底柱與點柱不予開采，故不作統(tǒng)計。其他分段統(tǒng)計礦柱見表1?？芍?，鐵門坎采區(qū)-50～-110 m區(qū)段頂?shù)字?4.5%，點柱占15.5%，殘留礦柱約77 677 m3，礦石按4.12 t/m3計算，資源儲量為32萬t。從安全回采來看，-110 m 分段底柱列入下區(qū)段回收較妥，故本區(qū)段可回收礦柱約63 217 m3，資源儲量為26萬t。

表1　礦柱統(tǒng)計

2數(shù)值模型建立

根據(jù)前人研究的大冶鐵礦巖體物理力學參數(shù)[4-9]，結合工程實踐經驗，圍巖和礦體物理力學參數(shù)取值見表2。

表2　材料物理力學參數(shù)

選取直徑3 m、高12 m的豎直圓形礦柱進行計算模擬分析。為了模擬豎直方向的地應力，模型上邊界施加一豎直方向的靜載，下邊界施加位移約束。在模型上邊界施加一動力荷載以考察動力擾動對礦柱的影響。圓形礦柱的靜力、動力模型和計算網格分別見圖1、圖2。

3模擬計算方案

首先，為了考察礦柱的承載能力，計算當高徑比為4∶1時，礦柱在不同靜壓力下的應力和變形情況?；诖耍瑸榱诉M行靜力擾動分析，在礦柱模型的頂端

圖1　礦柱模型

圖2　數(shù)值模擬網格劃分模型

施加一應力波荷載。計算時間取0.1 s，周期為0.01 s，采用如圖3所示的正弦脈沖分布荷載。當擾動應力波的峰值分別取Pmax=10，20，30 MPa時，計算分析靜載對礦柱的影響。

圖3　應力波時程曲線

4礦柱靜力模擬結果及分析

根據(jù)工程地質，利用FLAC3D強大的后處理功能[10-15]，對大冶鐵礦礦柱回采過程靜力分布模擬。不同上覆荷載下礦柱的豎向應力和塑性區(qū)分布見圖4、圖5。

從圖4可以看出，P=20 MPa時，模型豎向應力最大值為24.15 MPa；P=30 MPa時，模型豎向應力最大值為36.23 MPa；P=40 MPa時，模型豎向應力最大值為48.3 MPa。豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區(qū)域主要集中于模型底部。隨著荷載的增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，且礦柱底部出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象。

從圖5可以看出，P=20，30，40 MPa時，礦柱模型均未出現(xiàn)塑性區(qū)，在40 MPa的豎向靜荷載作用下，礦柱穩(wěn)定性較好。

圖4　不同荷載下礦柱豎向應力分布

圖5　不同荷載下礦柱塑性區(qū)分布

5結語

以大冶鐵礦采空區(qū)礦柱作為研究對象，設計了數(shù)值模擬方案，采用動力有限元法綜合分析采空區(qū)礦柱在動力擾動下的響應靜力特征。在20,30,40 MPa荷載下，礦柱模型均未出現(xiàn)塑性區(qū)，豎向應力分布極不均勻，應力水平較高區(qū)域主要集中在模型底部，隨著荷載增大，礦柱中的豎向應力逐漸增大，并且在40 MPa時礦柱穩(wěn)定性較好。分析結果為認識采空區(qū)礦柱的力學規(guī)律和防護破壞提供了理論依據(jù)。

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(收稿日期2015-11-10)

*2015年安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(編號：hubei-0008-2015AQ)；湖北省教育廳2014年度高校青年教師深入企業(yè)行動計劃項目(編號：XD2014132)；武漢工程大學2014年研究生教育教學改革研究項目(編號：yjg201407)

周德紅(1978—)，男，副教授，博士，430073 湖北省武漢市洪山區(qū)雄楚大街693號。