范文錄,劉育明,葛啟發(fā),2

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

應(yīng)用研究·有色礦山·

自然崩落法拉底過(guò)程底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

范文錄1,劉育明1,葛啟發(fā)1,2

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

自然崩落法技術(shù)要求高，涉及的巖石力學(xué)問(wèn)題也非常復(fù)雜，不同拉底方式拉底過(guò)程中，底部出礦結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力狀態(tài)不同，穩(wěn)定性也不同。以普朗銅礦相關(guān)條件為依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)自然崩落法開(kāi)采拉底過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行研究。分析研究表明：前進(jìn)式拉底過(guò)程中，拉底推進(jìn)線后方45m左右區(qū)域應(yīng)力逐漸發(fā)生釋放，最大主應(yīng)力減小到10MPa左右，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性要好于后拉底，出礦水平最小主應(yīng)力處于巖體抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，且新增塑性區(qū)符合前進(jìn)式拉底特點(diǎn)。因此，前進(jìn)式拉底利于維護(hù)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

自然崩落法； 底部結(jié)構(gòu)； 數(shù)值模擬； 前進(jìn)式拉底； 出礦水平

1 前言

自然崩落法是一種低成本、高效率的采礦方法，是大型地下礦體特別是貧礦體資源大規(guī)模開(kāi)采的首選方法。其實(shí)質(zhì)是用鑿巖爆破方法在礦體內(nèi)某個(gè)水平采出一層礦石，形成拉底崩落空間，致使上部礦體失去支撐，發(fā)生初始崩落，下部水平進(jìn)行出礦，在應(yīng)力與重力作用下上部礦巖持續(xù)崩落并不斷往上擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)礦體自然崩落[1～3]。

由于自然崩落法技術(shù)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)自然崩落法研究仍處于研究和探索階段，目前國(guó)內(nèi)采用自然崩落法在生產(chǎn)礦山只有銅礦峪礦。另外，云南普朗銅礦正處于建設(shè)階段，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為1 250萬(wàn)t/a，是我國(guó)目前設(shè)計(jì)的最大地下金屬礦山，設(shè)計(jì)采用前進(jìn)式拉底方式進(jìn)行拉底。自然崩落法成功與否的關(guān)鍵在于拉底的好壞，做好拉底工程是實(shí)現(xiàn)礦巖自然崩落的第一步，而拉底也與底部結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，不同的拉底方式對(duì)底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的應(yīng)力，對(duì)底部結(jié)構(gòu)造成的破壞就不同[4～8]。目前國(guó)際上通常采用三大拉底方式，包括后拉底、預(yù)拉底及前進(jìn)式拉底[9～11]。由于國(guó)內(nèi)自然崩落法礦山應(yīng)用不多，這導(dǎo)致對(duì)自然崩落法的理論研究也相對(duì)缺乏，尤其是對(duì)拉底過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律、機(jī)理認(rèn)識(shí)不透。為此，根據(jù)普朗銅礦巖體條件，采用有限差分程序FLAC3D對(duì)自然崩落法不同拉底方式下的底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，為增進(jìn)對(duì)自然崩落法的研究提供些許認(rèn)識(shí)。

2 拉底方式

圖1為后拉底方式，即傳統(tǒng)拉底方式，在出礦巷道、出礦點(diǎn)、聚礦槽形成以后，再進(jìn)行上面的拉底工作。這種拉底方式在早期的自然崩落法礦山大量使用[12]。圖2為前進(jìn)式拉底，前進(jìn)式拉底戰(zhàn)略特點(diǎn)是先拉底，后形成聚礦槽，從而出礦水平開(kāi)拓則在應(yīng)力釋放環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)維護(hù)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常有利。

圖1 后拉底示意圖

圖2 前進(jìn)式拉底示意圖

采用傳統(tǒng)后拉底方式容易導(dǎo)致底部出礦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，底部結(jié)構(gòu)難以維護(hù)。為此，普朗銅礦采用前進(jìn)式拉底方式，以改善底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。針對(duì)以上拉底方式特點(diǎn)，使用FLAC3D有限差分軟件對(duì)2種拉底方式拉底過(guò)程中應(yīng)力變化進(jìn)行研究。

3 模型建立與底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

(1)計(jì)算參數(shù)與計(jì)算準(zhǔn)則。礦巖力學(xué)參數(shù)為中南大學(xué)現(xiàn)代分析測(cè)試中心提供《力學(xué)性能檢驗(yàn)報(bào)告》中試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)試所得巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)普朗巖石力學(xué)基礎(chǔ)研究結(jié)果，礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力傾角較小，介于5.73°～29.41°，方位大致呈東西向，與礦區(qū)的南北向?yàn)橹鲗?dǎo)的褶皺等地質(zhì)構(gòu)造特征相符合，故模型中最大主應(yīng)力按水平方向施加，方向與出礦穿脈方向一致，輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2。

表2 地應(yīng)力輸入?yún)?shù) MPa

計(jì)算采用破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則[12～13]，力學(xué)模型為：

(1)

式中：fs——摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的函數(shù)關(guān)系。

(2)模型建立與開(kāi)挖步驟。普朗銅礦一期首采中段為3 720m以上礦體，礦體最大崩落高度為接近400m，平均崩落高度200m，3 720m為出礦水平，底部結(jié)構(gòu)出礦水平和拉底水平間距16m，拉底高度約10m；出礦穿脈間距30m，出礦進(jìn)路采用“人”字形布置，間距為15m。

根據(jù)普朗底部結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立普朗銅礦數(shù)值模型，由于底部結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，F(xiàn)LAC3D建模難度較大，因此在Ansys中建立好數(shù)值模型，再導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算。模型按走向長(zhǎng)450m，垂直走向長(zhǎng)300m，高度200m。模型高度20m對(duì)應(yīng)礦山3 720m出礦水平，巷道、聚礦槽及拉底模型均按實(shí)際工程參數(shù)建立，如圖3所示為自然崩落法結(jié)構(gòu)模型。

利用建立的普朗銅礦自然崩落法結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)后拉底和前進(jìn)式拉底開(kāi)挖順序特點(diǎn)，采用FLAC3D5.0軟件分別進(jìn)行前進(jìn)式拉底模擬。前進(jìn)式拉底模擬開(kāi)挖順序見(jiàn)表3。

圖3 整體模型與底部結(jié)構(gòu)模型

表3 前進(jìn)式拉底模擬開(kāi)挖順序

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

(1)最大主應(yīng)力變化分析。分析圖4所示計(jì)算結(jié)果，在拉底推進(jìn)線約20m范圍內(nèi)區(qū)域(拉底下部巖體)處于應(yīng)力集中狀態(tài)，最大主應(yīng)力接近33MPa，而在拉底推進(jìn)線后方40～50m區(qū)域聚礦槽周?chē)?拉底空區(qū)下部的巖體)附近應(yīng)力已發(fā)生釋放，該區(qū)域所受最大主應(yīng)力在3～15MPa，最大主應(yīng)力減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，而在應(yīng)力釋放區(qū)域再形成聚礦槽時(shí)，底部結(jié)構(gòu)處于較好的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)維護(hù)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有利。

(2)前進(jìn)式拉底最小主應(yīng)力變化分析。在前進(jìn)式拉底過(guò)程中，底部結(jié)構(gòu)所受最小主應(yīng)力隨著拉底逐步推進(jìn)而增大，尤其是處于拉底空間中心區(qū)域底部結(jié)構(gòu)所受最小主應(yīng)力最大(最小主應(yīng)力為正，即為拉應(yīng)力)，桃形體所受最小主應(yīng)力在0.4～0.9MPa，小于巖體抗拉強(qiáng)度，可知桃形體總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示(y=130m剖面)。

圖4 前進(jìn)式拉底推進(jìn)中最大主應(yīng)力

圖5 底部結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

從最小主應(yīng)力分析結(jié)果可知：前進(jìn)式拉底過(guò)程中，底部結(jié)構(gòu)桃形體以及出礦水平巷道所受拉應(yīng)力基本在巖體抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，對(duì)出礦水平交岔口采取合理的支護(hù)措施，底部結(jié)構(gòu)整體處于可控且穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 底部巷道塑性區(qū)

(3)出礦水平新增塑性區(qū)變化分析。從圖6結(jié)果可看出：前進(jìn)式拉底中，拉底前方巷道部分區(qū)域產(chǎn)生較少新增塑性區(qū)，在后期拉底過(guò)程中，靠近拉底推進(jìn)方向區(qū)域附近有新增塑性區(qū)，而拉底方向后方已無(wú)新增塑性區(qū)，說(shuō)明在拉底后方區(qū)域應(yīng)力發(fā)生釋放，前進(jìn)式拉底戰(zhàn)略對(duì)維護(hù)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有利的。

4 結(jié)論

(1)前進(jìn)式拉底最大主應(yīng)力結(jié)果表明：前進(jìn)式拉底在拉底推進(jìn)線方向約20m范圍內(nèi)區(qū)域處于應(yīng)力集中狀態(tài)，最大主應(yīng)力接近30MPa，拉底推進(jìn)線后方20～50m區(qū)域附近應(yīng)力則發(fā)生釋放，最大主應(yīng)力僅為3～20MPa。

(2)前進(jìn)式拉底最小主應(yīng)力結(jié)果表明：底部結(jié)構(gòu)所受最小主應(yīng)力基本處于巖體抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，但同時(shí)需對(duì)出礦水平巷道交岔口加強(qiáng)支護(hù)，提高底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

(3)前進(jìn)式拉底出礦水平新增塑性區(qū)結(jié)果表明：出礦水平巷道交岔口、聚礦槽和出礦進(jìn)路交接處新增塑性區(qū)較多，這些區(qū)域應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)；另外，拉底推進(jìn)線附近及前方區(qū)域新增塑性區(qū)較多，后方新增塑性區(qū)變少。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：普朗銅礦采用前進(jìn)式拉底戰(zhàn)略有利于維護(hù)底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，同時(shí)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)出礦水平巷道進(jìn)行合理支護(hù)，可進(jìn)一步提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

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Study on bottom structure stability in the undercutting process of block caving

Block caving technology has high technique requirements and the rock mechanics problems are complex. In the undercutting process different undercutting way causes different stress state and stability of bottom structure. Taking the conditions relative to Pulang Copper Mine as the basis, numerical simulation method was used to study the stress variation of bottom structure in the undercutting process of block caving mining. The results showed that in the process of advance undercutting, the stress released in the area behind the undercutting forward line 45m, and the maximum principal stress reduced to 10MPa, and the overall stability of bottom structure was better than using later undercutting. The minimum principal stress on ore drawing level was basically in the range of rock mass tensile strength, and the new plastic zone was according with the advance undercutting features. In this case, advance undercutting strategy is good for maintaining the stability of bottom structure.

block caving; bottom structure; numerical simulation; advance undercutting; ore drawing level

TD853.36

A

范文錄(1988-)，男，江西豐城人，工程師，從事采礦工程設(shè)計(jì)工作。