劉澤洲，雷 明

(1.湖南有色金屬研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410100； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于數(shù)值模擬的采場(chǎng)永久礦柱寬度優(yōu)化研究

劉澤洲1，雷 明2

(1.湖南有色金屬研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410100； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

根據(jù)開(kāi)采礦山的實(shí)際情況，基于永久礦柱的不同寬度，提出了4種不同的優(yōu)化方案。采用三維有限元分析軟件建立了數(shù)值分析模型，模擬并分析了4種不同的開(kāi)挖方案后應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布規(guī)律，得到了最優(yōu)的開(kāi)采方案。研究結(jié)果表明：永久礦柱壓應(yīng)力、頂板拉應(yīng)力的極值在特定的礦體賦存條件下呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但采場(chǎng)頂板的拉應(yīng)力分布區(qū)域體現(xiàn)出隨永久礦柱寬度的增大而減小的規(guī)律；各方案中較大的位移都出現(xiàn)在采場(chǎng)的頂板和底板，并且采場(chǎng)頂板的位移要高于底板，其頂板最大的沉降位移量分別為8.5，8.4，6.1，5.9 cm；永久礦柱主要產(chǎn)生受壓破壞，結(jié)合采場(chǎng)頂板應(yīng)力場(chǎng)分布情況以及沉降位移的變化規(guī)律，從平衡經(jīng)濟(jì)和安全的角度綜合分析認(rèn)為傾斜永久礦柱寬度12 m為最優(yōu)方案。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；永久礦柱；數(shù)值模擬；應(yīng)力場(chǎng)；沉降位移

0 引 言

地下礦山開(kāi)采時(shí)，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化事關(guān)開(kāi)采過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性以及安全性[1-13]。在釆礦方案設(shè)計(jì)時(shí)，礦柱尺寸過(guò)小時(shí)，礦房的穩(wěn)定性低，頂板發(fā)生冒落以及垮塌的概率加大，安全生產(chǎn)得不到保障；而礦柱尺寸設(shè)計(jì)過(guò)大，礦房跨度過(guò)小，則回采率低，礦石損失量大，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益不高[6,14]。合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是在安全能夠保障的前提下，最大化且經(jīng)濟(jì)地將礦石從地下開(kāi)采出來(lái)。因此，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否是采礦技術(shù)當(dāng)中的核心工作[1-14]。目前，工程中針對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究領(lǐng)域，運(yùn)用的方法較多，其中比較常用的有：半經(jīng)驗(yàn)半理論法[15-16]、數(shù)值模擬計(jì)算法[1-5,7-13,17-20]、模型試驗(yàn)分析法[8]、可靠性分析法[22]、遺傳算法[23]等。巖體經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)而相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程形成，其內(nèi)部并不是各向同性的，存在著大量的地質(zhì)缺陷(如節(jié)理、裂隙、空隙及地下水等)。上述地質(zhì)缺陷導(dǎo)致影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素是多方面的，需要從一個(gè)系統(tǒng)整體的角度去考慮，從而給采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。

本文根據(jù)開(kāi)采礦山的實(shí)際情況，基于永久礦柱的不同寬度，提出了4種不同的優(yōu)化方案，采用有限元法分析軟件建立數(shù)值計(jì)算仿真模型，模擬并分析了每種方案在采場(chǎng)開(kāi)挖后應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布規(guī)律，以此確定合適的開(kāi)采方案，為礦山今后的安全和高效生產(chǎn)提供了可參考的依據(jù)。

1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

該礦是一個(gè)主要含鎢、鉬、鉍等多金屬的緩傾斜厚礦床，礦體由矽卡巖礦石組成，礦石致密堅(jiān)硬，穩(wěn)固性好，f=10。礦體上盤(pán)多為大理巖、變基性玄武巖，圍巖穩(wěn)固性較好，f=10～15；下盤(pán)為花崗巖，其風(fēng)化程度的不同影響著穩(wěn)固性的差異，f=3～15。

礦塊沿礦體走向布置，在礦塊中部沿傾斜方向留傾斜永久礦柱，將礦塊劃分為東西兩個(gè)盤(pán)區(qū)，沿礦體走向分別布置充填采場(chǎng)和空?qǐng)霾蓤?chǎng)?；夭身樞蚍譃閮蓚€(gè)步驟：先回采間柱，嗣后膠結(jié)充填構(gòu)造人工礦柱；然后回采礦房并嗣后廢石干式充填。礦體平均厚度為21.5 m，設(shè)計(jì)人工礦柱(即充填采場(chǎng))的寬為15 m，采場(chǎng)寬為35 m，采礦方案布置見(jiàn)圖1。

圖1 采場(chǎng)布置方案

1.2 優(yōu)化方案的確定

此次模擬計(jì)算中，對(duì)人工礦柱寬度、采場(chǎng)寬度的參數(shù)不進(jìn)行改變，只改變傾斜永久礦柱的寬度，在礦體賦存條件的基礎(chǔ)上，看其采場(chǎng)的穩(wěn)定性是否能達(dá)到安全的要求。結(jié)合礦山已有巖石力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用了4種方案作為本次優(yōu)化論證的方案，見(jiàn)表1。

表1 方案結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型的建立

根據(jù)該礦山礦體的賦存特點(diǎn)，本次計(jì)算采用有限元軟件構(gòu)建三維模型，礦體與圍巖的接觸面以實(shí)際獲得的真實(shí)接觸面來(lái)構(gòu)建，采用4節(jié)點(diǎn)4面體(Tetra)單元進(jìn)行分析，運(yùn)用自動(dòng)劃分實(shí)體網(wǎng)格的命令對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，礦體的單元尺寸為5，圍巖的單元尺寸為50，以此來(lái)控制網(wǎng)格單元的尺寸，數(shù)值模型網(wǎng)格見(jiàn)圖2。礦塊尺寸為205 m×165 m，按不受礦體開(kāi)挖影響的3～5倍礦塊尺寸范圍來(lái)確定計(jì)算模型尺寸。計(jì)算模型設(shè)置的邊界條件為：底面固定，上表面不限定任何方向的移動(dòng)，周?chē)鷤?cè)面限制水平移動(dòng)。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算方法及力學(xué)參數(shù)

材料模型為彈塑性本構(gòu)模型，巖體的破壞采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)判定，具體的巖體力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

根據(jù)對(duì)礦體地應(yīng)力的測(cè)定結(jié)果(地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)1.0～1.2)，本次模擬計(jì)算采用λ=1。此次有限元計(jì)算模型的上部邊界已到地表，所以在模型的上部邊界不需要加任何力，只要加單元的自重應(yīng)力即可達(dá)到與實(shí)際情況相同。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

(1) 傾斜永久礦柱。從永久礦柱的最小主應(yīng)力分布云圖看，礦柱都是處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在礦柱長(zhǎng)軸方向的拐角處(見(jiàn)圖3)。因?yàn)樵诠战翘幍V柱形態(tài)發(fā)生比較大的變化，在變化處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，為避免應(yīng)力過(guò)于集中給生產(chǎn)安全帶來(lái)的不利影響，在施工過(guò)程中，應(yīng)盡量減少此類形態(tài)拐角的出現(xiàn)。方案1～方案4最大壓應(yīng)力分別為41.71， 44.8， 32.2， 33.2 MPa，而永久礦柱的單軸抗壓強(qiáng)度為35.64 MPa，壓應(yīng)力大于此值部分的體積占整個(gè)礦柱體積的百分比分別為2%、2.4%、0%、0%，4個(gè)方案的永久礦柱絕大部分所受壓應(yīng)力都小于單軸抗壓強(qiáng)度。從永久礦柱所受抗壓角度分析，方案3、4優(yōu)于方案1、2。

圖3 方案3永久礦柱最小主應(yīng)力云圖

(2) 采場(chǎng)頂板。永久礦柱作為采場(chǎng)整體的一部分，與頂板及其它結(jié)構(gòu)是一種系統(tǒng)工程，影響著采場(chǎng)的安全，因此在考慮永久礦柱的穩(wěn)定性及其承載能力時(shí)，還應(yīng)考慮礦柱對(duì)其它部分的影響，即從整體上論證和優(yōu)化采場(chǎng)各部分的相互影響，從而為現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)提供合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了更加直觀掌握采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性情況，以采場(chǎng)最危險(xiǎn)剖面(剖面A)來(lái)分析采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

從采場(chǎng)頂板最大主應(yīng)力分布云圖可看出，方案1～方案4采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力極值分別為1.2， 1.66， 1.2， 1.5 MPa，都小于頂板大理巖的抗拉強(qiáng)度，即在理論上頂板是不會(huì)發(fā)生拉伸破壞的。從拉應(yīng)力區(qū)分布情況看，方案1～方案4采場(chǎng)頂板拉應(yīng)力區(qū)占總體應(yīng)力區(qū)的面積分別為5.3%、4.8%、2.8%、2.1%，拉應(yīng)力分布區(qū)域隨永久礦柱寬度的增大有減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)拉應(yīng)力減小的原因可用拱理論來(lái)解釋，頂板隨著永久礦柱寬度的增大，成拱作用越明顯，圖4的兩個(gè)采場(chǎng)頂板，可以看成兩跨拱，永久礦柱寬度的增加相當(dāng)于改變了支撐拱的支座形式，從而相當(dāng)于間接改變拱的軸線形狀，當(dāng)軸線接近合理拱軸時(shí)，拱上分布的應(yīng)力會(huì)以壓應(yīng)力為主。從圖5中可看出，頂板拉應(yīng)力區(qū)域所占百分比在10～12 m區(qū)間范圍內(nèi)變化比較明顯，在8～10 m、12～15 m的區(qū)間范圍內(nèi)減小的趨勢(shì)相對(duì)而言比較緩慢，說(shuō)明10 m、12 m是曲線的兩個(gè)變化折點(diǎn)，結(jié)合永久礦柱抗壓能力的分析，推薦永久礦柱的寬度范圍為12～15 m。

圖4 方案3采場(chǎng)頂板最大主應(yīng)力云圖

圖5 頂板拉應(yīng)力區(qū)隨礦柱寬度變化趨勢(shì)

3.2 位移場(chǎng)分析

在垂直位移等值線分布圖中，從方案1～方案4較大的位移出現(xiàn)在采場(chǎng)的頂板和底板，并且采場(chǎng)頂板的位移要高于底板。由于采場(chǎng)回采完后應(yīng)力得到釋放，從而出現(xiàn)頂板和底板相對(duì)靠近的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6)。從發(fā)生災(zāi)害事故的嚴(yán)重程度來(lái)看，應(yīng)主要加強(qiáng)頂板位移的監(jiān)測(cè)。

方案1～方案4采場(chǎng)頂板的最大位移分別為：8.5， 8.4， 6.1， 5.9 cm。從圖7可看出：隨著永久礦柱寬度的增大，采場(chǎng)頂板的最大沉降位移的大體情況是逐步得到控制的趨勢(shì)。沉降位移在10～12 m的區(qū)間范圍內(nèi)變化率很大，而在12～15 m區(qū)間范圍內(nèi)位移變化緩慢，幾近一條水平線，說(shuō)明永久礦柱寬度在超過(guò)12 m以后，其對(duì)減小頂板沉降位移貢獻(xiàn)很小。當(dāng)然，如果礦柱寬度足夠大，頂板不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，但這會(huì)損失很多礦量。因此，從平衡經(jīng)濟(jì)和安全的角度綜合分析，認(rèn)為方案3為最優(yōu)方案，永久礦柱寬度宜為12 m。

圖6 方案3垂直位移云圖

圖7 頂板位移隨礦柱寬度變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

(1) 4種方案較大的位移都出現(xiàn)在采場(chǎng)的頂板和底板，并且采場(chǎng)頂板的位移要高于底板，其頂板最大的沉降位移量分別為8.5， 8.4， 6.1， 5.9 cm。

(2) 4種方案的永久礦柱壓應(yīng)力、頂板拉應(yīng)力的極值在特定的礦體賦存條件下呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但采場(chǎng)頂板的拉應(yīng)力分布區(qū)域體現(xiàn)出隨永久礦柱寬度的增大而減小的規(guī)律。

(3) 基于永久礦柱主要產(chǎn)生受壓破壞的事實(shí)，再結(jié)合采場(chǎng)頂板應(yīng)力場(chǎng)分布情況以及沉降位移的變化規(guī)律，從平衡經(jīng)濟(jì)和安全的角度綜合分析認(rèn)為永久礦柱寬度12 m為最優(yōu)方案。

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2016-11-21)

劉澤洲(1985-)，男，湖南株洲人，碩士，主要從事采礦技術(shù)及安全方面的研究工作，Email：381163479@qq.com。