張少杰，夏長念，陳小偉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

兩種拉底方案的底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化對比分析

張少杰，夏長念，陳小偉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

根據(jù)某銅礦工程地質(zhì)條件和開采設(shè)計情況，針對兩種拉底方案，采用FLAC3D有限差分軟件建立了簡化的數(shù)值模型，對出礦穿脈、拉底巷道、拉底作業(yè)和聚礦槽等一系列工程施工開挖后，采場底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行了模擬分析研究。研究結(jié)果表明：階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底的方案中最大主應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線前方的桃形礦柱中，聚礦槽處于拉底作業(yè)的應(yīng)力釋放區(qū)。V形拉底線后拉底的方案中最大主應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底區(qū)域下方的桃形礦柱中，聚礦槽處于拉底推進(jìn)線前方的高應(yīng)力區(qū)。

自然崩落法； 底部結(jié)構(gòu)； 應(yīng)力分析； 數(shù)值模擬

1 前言

采場底部結(jié)構(gòu)是地下礦山開采設(shè)計的重要部分[1～6]，而拉底工程對于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。拉底工程的主要影響要素有：拉底推進(jìn)線的平面形狀、拉底戰(zhàn)略、拉底推進(jìn)速度和拉底高度等[1]。Bartlett和Croll研究了Cullinan 礦山從后拉底戰(zhàn)略轉(zhuǎn)為前進(jìn)式拉底戰(zhàn)略后，隨著拉底面積的增加拉底水平和出礦水平的應(yīng)力變化情況[7]。Trueman等運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件，定量研究了拉底水平和出礦水平的應(yīng)力變化以及支護(hù)需求[8]。王家臣等運(yùn)用FLAC3D研究了金川鎳礦二礦區(qū)采用自然崩落法時的合理拉底方案、初次崩落的拉底面積和崩落速度等[9]。劉華武等運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件，研究了拉底作業(yè)后，聚礦槽四周巖體和出礦進(jìn)路頂?shù)装逯械膽?yīng)力變化情況[10]。徐文彬等運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件，研究了不同的巷道開挖順序和布置形式對地下工程穩(wěn)定性的影響[11]。由于自然崩落法底部結(jié)構(gòu)地壓顯現(xiàn)極為明顯，同時底部結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)的出礦量大，服務(wù)時間長，所以對不同的拉底推進(jìn)線形狀和拉底戰(zhàn)略情況下采場底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行研究是十分必要的[12]。

2 工程概況

某銅礦為一大型斑巖銅礦，礦床由百余條礦體組成，其中4#和5#礦體為主要礦體，礦體在平面上為巨大透鏡狀，沿傾斜為似板狀。礦體主要賦存于變鉀質(zhì)基性火山巖層內(nèi)，其產(chǎn)狀與圍巖基本一致，傾向北西，傾角40°～60°。兩礦體在空間上平行展布，其間距比較穩(wěn)定，多為110～130m。

該銅礦一期工程開采690m以上的礦體，二期工程開采530m中段和410m中段，設(shè)計采用自然崩落法開采。根據(jù)礦體形態(tài)特征，410m中段共設(shè)有1個主層和2個副層。410m中段主層共設(shè)有5個主要水平，依次為410m有軌運(yùn)輸水平、419m進(jìn)風(fēng)水平、434m出礦水平、440m回風(fēng)水平和447m拉底水平。拉底巷道垂直礦體走向布置，位于桃形礦柱的肩部，桃形礦柱寬16m，如圖1所示。出礦穿脈垂直礦體走向布置，間距30m，出礦進(jìn)路間距15m，裝礦口采用分支鯡魚骨式布置，出礦進(jìn)路與出礦穿脈成50°角相交。聚礦槽長14m，高13m，上寬10m，下寬4m，聚礦槽的開掘采用中間拉槽、中深孔劈漏爆破而成，如圖2所示。

圖1 采場底部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 出礦水平布置圖

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)條件和開采設(shè)計資料，針對兩種拉底方案，建立了簡化的FLAC3D數(shù)值模型。模型共368 800個三維單元，392 199個節(jié)點(diǎn)，模型X軸與礦體走向平行，模型走向長600m，傾向?qū)?50m，高380m(模型中z=0m對應(yīng)標(biāo)高為434m，即主層出礦水平)，如圖3所示。模型中部的垂直剖面如圖4所示。

圖3 三維數(shù)值模型

圖4 模型中部垂直剖面

3.2 地應(yīng)力特征及邊界條件

根據(jù)礦山地應(yīng)力測量結(jié)果：礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，礦區(qū)最大主應(yīng)力的方向表現(xiàn)出較好的一致性，均為北偏東向，平均為N56.03°E。最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力值和垂直主應(yīng)力值隨埋深變化的回歸方程為：

σh,max=0.73+0.030 7h

(1)

σh,min=0.22+0.008 2h

(2)

σz=0.28+0.025 5h

(3)

式中：σh,max——最大水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主應(yīng)力，為壓應(yīng)力，與礦體走向近似垂直，MPa；

h——埋深，m。

研究區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力隨深度線性變化，根據(jù)礦體埋藏深度和平均巖體容重計算，模型上部施加垂直方向應(yīng)力σz=8.9MPa。考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響，模型的水平應(yīng)力分別根據(jù)式(1)和式(2)施加。模型側(cè)面限制水平方向移動，模型底部限制垂直方向移動。

3.3 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)材料力學(xué)特征，分別采用不同的力學(xué)模型。

(1)礦體采用摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則，表述為：

(4)

式中：fs——屈服函數(shù)；

σ1、σ3——分別為最大和最小主應(yīng)力；

c、φ——分別為粘聚力和摩擦角。

當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

(2)崩落后的礦體是一種松散介質(zhì)，在覆巖作用下材料的密度ρ、彈性模量E和泊松比μ隨時間而增加。已有研究表明，ρ、E和μ變化規(guī)律可由以下經(jīng)驗(yàn)公式表述：

ρ=1 400+800(1-e-1.25t) (kg/m3)

(5)

E=15+200(1-e-1.25t) (MPa)

(6)

μ=0.05+0.2(1-e-1.25t)

(7)

式中時間t的單位為年。式(5)～(7)反映出ρ、E和μ隨時間呈指數(shù)增長的變化關(guān)系，最終達(dá)到恒值。

根據(jù)相關(guān)研究中的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，模擬計算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計算方案和模擬過程

根據(jù)拉底推進(jìn)線在平面上布置形式和拉底戰(zhàn)略的不同，本計算主要針對以下兩種拉底方案底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行分析。

(1)方案Ⅰ：階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底，如圖5所示。

(2)方案Ⅱ：V形拉底線后拉底，如圖6所示。

由于V形拉底線前進(jìn)式拉底在礦山生產(chǎn)中不易組織，本計算不再對該方案進(jìn)行計算模擬。

本計算在建模和研究過程中進(jìn)行了相應(yīng)的簡化處理，所做分析僅為了對比兩種拉底方案采場底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的差異，為兩種拉底方案的選擇提供設(shè)計參考，并非是礦山開采全過程的模擬計算，因此，對自然崩落過程中主副層關(guān)系和礦巖崩落狀態(tài)等都未在本計算中進(jìn)行討論。

圖5 方案Ⅰ(階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底)

圖6 方案Ⅱ(V形拉底線后拉底)

本計算的模擬過程如下：①模擬在給定邊界力學(xué)與位移條件下模型的初始狀態(tài)；②分步模擬開掘出礦穿脈和拉底巷道；③分步模擬410m中段的自然崩落。

4 計算結(jié)果分析

4.1 傾向剖面

圖7和圖8分別為方案Ⅰ和方案Ⅱ傾向剖面的最大主應(yīng)力場。從圖中可以看出，在水平構(gòu)造應(yīng)力的作用下，聚礦槽形成后，聚礦槽后的間柱應(yīng)力集中程度較高。方案Ⅰ傾向剖面的最大主應(yīng)力最大值為60.86MPa。方案Ⅱ傾向剖面的最大主應(yīng)力最大值為70.47MPa。將方案Ⅱ各傾向剖面的最大主應(yīng)力依次輸出后對比發(fā)現(xiàn)，方案Ⅱ拉底推進(jìn)線越接近上下盤，聚礦槽后的間柱應(yīng)力集中程度越大。

圖9和圖10分別為方案Ⅰ和方案Ⅱ傾向剖面的垂直應(yīng)力場。從圖中可以看出，方案Ⅰ中聚礦槽處于拉底作業(yè)的應(yīng)力降低區(qū)中，應(yīng)力值為5～10MPa，應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線的前方，應(yīng)力值為44.10MPa。方案Ⅱ聚礦槽處于高應(yīng)力區(qū)(20MPa以上)，應(yīng)力最大值為52.95MPa。

圖7 方案Ⅰ傾向剖面的最大主應(yīng)力場

圖8 方案Ⅱ傾向剖面的最大主應(yīng)力場

圖9 方案Ⅰ傾向剖面的垂直應(yīng)力場

圖10 方案Ⅱ傾向剖面的垂直應(yīng)力場

4.2 走向剖面

圖11和圖12分別為方案Ⅰ和方案Ⅱ走向剖面的最大主應(yīng)力場。從圖中可以看出，方案Ⅰ走向剖面的應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線前方的桃形礦柱中，應(yīng)力最大值為56.55MPa。聚礦槽處于拉底作業(yè)的應(yīng)力釋放區(qū)。方案Ⅱ走向剖面的應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底區(qū)域下方的桃形礦柱中，應(yīng)力最大值為54.23MPa。

圖13和圖14分別為方案Ⅰ和方案Ⅱ走向剖面的垂直應(yīng)力場。從圖中可以看出，方案Ⅰ走向剖面的應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線前方的桃形礦柱中，應(yīng)力最大值為49.92MPa。聚礦槽處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力值為5～10MPa。方案Ⅱ走向剖面的應(yīng)力集中區(qū)域位同樣位于拉底推進(jìn)線前方的桃形礦柱中，應(yīng)力最大值為26.11MPa。聚礦槽處于拉底前推進(jìn)線前方的高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力值為15～25MPa。

圖11 方案Ⅰ走向剖面的最大主應(yīng)力場

圖12 方案Ⅱ走向剖面的最大主應(yīng)力場

圖13 方案Ⅰ走向剖面的垂直應(yīng)力場

圖14 方案Ⅱ走向剖面的垂直應(yīng)力場

4.3 出礦水平

圖15和圖16分別為方案Ⅰ和方案Ⅱ出礦水平的垂直應(yīng)力場。從圖中可以看出，由于方案Ⅰ為前進(jìn)式拉底，在拉底推進(jìn)線前方約30m的區(qū)域處于低應(yīng)力狀態(tài)(約10MPa以下)。方案Ⅱ?yàn)楹罄祝诶淄七M(jìn)線前方應(yīng)力值較高，約為35MPa。

圖15 方案Ⅰ出礦水平的垂直應(yīng)力場

圖16 方案Ⅱ出礦水平的垂直應(yīng)力場

5 結(jié)論

(1)礦體傾向剖面上，階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底的方案中聚礦槽位于拉底作業(yè)的應(yīng)力降低區(qū)中，應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線的前方。V形拉底線后拉底的方案中聚礦槽處于高應(yīng)力區(qū)。

(2)礦體走向剖面上，階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底的方案中最大主應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底推進(jìn)線前方的桃形礦柱中，聚礦槽處于拉底作業(yè)的應(yīng)力釋放區(qū)。V形拉底線后拉底的方案中最大主應(yīng)力集中區(qū)域位于拉底區(qū)域下方的桃形礦柱中，聚礦槽處于拉底推進(jìn)線前方的高應(yīng)力區(qū)。

(3)出礦水平，階梯狀拉底線前進(jìn)式拉底的方案中在拉底推進(jìn)線前方約30m的區(qū)域垂直應(yīng)力值較低，而V形拉底線后拉底的方案中拉底推進(jìn)線前方垂直應(yīng)力值則較高。

(4)建議在后期的開采過程中，還應(yīng)采取應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測和微震監(jiān)測等現(xiàn)場地壓監(jiān)測手段，對底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，對出礦巷道采取二次噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，以確保底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全。

(5)本文從拉底推進(jìn)線形狀和拉底戰(zhàn)略兩個方面對底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況進(jìn)行了分析，建議對影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的其它因素，如底部結(jié)構(gòu)參數(shù)、拉底推進(jìn)速度和支護(hù)方式等進(jìn)一步開展相關(guān)研究。此外，還應(yīng)對自然崩落過程中主副層關(guān)系、礦巖崩落狀態(tài)以及礦山開采全過程的采場穩(wěn)定性進(jìn)一步開展專題研究。

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Comparative analysis of stress change of bottom structure of two undercutting shcemes

Based on the engineering geological conditions and mining design in a copper mine, a simplified numerical model was established for two undercutting schemes by using three-dimensional finite difference code(FLAC3D). And the stress change of bottom structure was simulated and analyzed after a series of engineering construction including ore-drawing drift, undercutting tunnel, undercutting operation and ore-drawing funnel. The research results show that when the undercutting forward line is like a ladder and advanced undercutting is adopted, the maximal principal stress concentration area is in the peach-shape pillar in the front of undercutting line and the ore-drawing funnel is in the stress-release area of undercutting operation. When the undercutting forward line is like a ‘V’ and post-undercutting is adopted, the maximal principal stress concentration area is in the peach-shape pillar below the undercutting area and the ore-drawing funnel is in the high stress area in the front of undercutting line.

block caving; bottom structure; stress analysis; numerical simulation

1672-609X(2017)02-0014-05

TD672

A

2017-02-13

張少杰(1984-)，男，河南鞏義人，博士后，工程師，主要從事礦山工程咨詢與設(shè)計研究工作。