胡建華，習(xí)智琴，羅先偉，周科平，艾自華

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基于巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)的深部礦段回采順序優(yōu)化

胡建華1，習(xí)智琴1，羅先偉2，周科平1，艾自華1

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙，410083；2. 廣西高峰礦業(yè)股份有限責(zé)任公司，廣西南丹，547200)

基于巖體力學(xué)的時(shí)變參數(shù)演化規(guī)律，設(shè)計(jì)高峰深部礦段5種可行的回采順序方案。運(yùn)用耦合建模技術(shù)構(gòu)建深部礦段復(fù)合空區(qū)的三維有限元模型，再采用FLAC3D仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)下不同回采順序的時(shí)空演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：各種回采順序下的局部巖體最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都達(dá)到巖體的抗拉和抗壓強(qiáng)度，應(yīng)及時(shí)處理采空區(qū)；隨著回采推進(jìn)，頂?shù)装逦灰浦饾u增大，在最后1步達(dá)到最大值，并且受不同工藝的影響，最大位移表現(xiàn)出差異性；頂板位移最大沉降分別為50.0，38.0，74.0，64.9和70.5 mm，底板最大垂直位移(底鼓)分別為68.6，34.9，47.6，45.8和46.4 mm；巖體的破壞主要表現(xiàn)為剪切和拉伸塑性破壞，其中方案3和方案4的剪切破壞體積比方案1，2和5的剪切破壞體積，方案5發(fā)生拉伸破壞體積最大，方案2的整體塑性區(qū)體積比方案1的稍大。綜合采場的生產(chǎn)能力和形變應(yīng)力及其塑性破壞特征分析，選擇較優(yōu)的方案2。

時(shí)變力學(xué)參數(shù)；回采順序；時(shí)變應(yīng)力與變形；塑性破壞；優(yōu)化

合理確定礦段內(nèi)采場間的回采順序，是實(shí)現(xiàn)采礦工程結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和高效安全回采的關(guān)鍵，特別對(duì)于深井復(fù)雜采空區(qū)下的資源安全高效回采及礦山工程穩(wěn)定性具有重要的作用[1?3]。一般地，研究回采順序優(yōu)化問題，主要針對(duì)礦山不同的開采順序方案進(jìn)行簡單比較和優(yōu)選。如劉曉明等[1]設(shè)計(jì)了2種可行的回采順序模擬方案，對(duì)冬瓜山深井開采的回采順序進(jìn)行了優(yōu)化研究；彭康等[4]模擬計(jì)算了三山島金礦新立礦區(qū)中段盤區(qū)間不同回采順序，獲得了不同開采步驟下的礦巖應(yīng)力和位移特征值，提出了間隔2個(gè)盤區(qū)回采1個(gè)盤區(qū)的優(yōu)化回采工藝方案；韓斌等[5]根據(jù)金川二礦區(qū)多中段多盤區(qū)同時(shí)回采的實(shí)際情況對(duì)7種回采順序進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)從礦體一端向另一端漸進(jìn)式下降的最佳回采順序；甯瑜琳等[6]以玲南金礦兩步驟上向水平分層充填采場為例，對(duì)比盤區(qū)交錯(cuò)式、凸型階梯式、三角型階梯式這3種回采順序的工程響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)采用凸型階梯式回采時(shí)采場穩(wěn)定性最強(qiáng)。然而，采礦過程始終處于不斷加載和卸載的過程中[7]，在不斷調(diào)整再平衡過程中礦巖性質(zhì)產(chǎn)生劣化，常規(guī)的力學(xué)參數(shù)難以反映礦巖體劣化損傷對(duì)礦巖體的響應(yīng)。在采動(dòng)時(shí)變演化過程中，胡建華等[8]分析了礦山開采的采動(dòng)影響區(qū)域內(nèi)圍巖擾動(dòng)弱化規(guī)律，獲得了巖體力學(xué)性質(zhì)和參數(shù)的劣化時(shí)變規(guī)律。李維樹等[9]在高拱壩卸荷帶內(nèi)通過35點(diǎn)動(dòng)靜對(duì)比原位變形試驗(yàn)，建立了卸荷下卸荷帶內(nèi)的巖體變形參數(shù)與波速之間的時(shí)變關(guān)系式。王瑞紅 等[10]通過對(duì)壩肩開挖邊坡應(yīng)力應(yīng)變場的彈塑性力學(xué)進(jìn)行分析，得到了每步開挖后巖體劣化參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)壩肩槽開挖過程中的邊坡穩(wěn)定性分析。雷濤等[11]以銅坑礦92號(hào)礦體連續(xù)誘導(dǎo)崩落卸荷開挖采場為對(duì)象，基于細(xì)觀損傷力學(xué)和卸荷巖體力學(xué)理論，運(yùn)用 RFPA 軟件建立了巖體卸荷計(jì)算的等效數(shù)值模型，據(jù)巖體卸荷損傷和聲發(fā)射效應(yīng)獲得了卸荷巖體力學(xué)參數(shù)的變化曲線及其劣化規(guī)律。然而，在劣化時(shí)變巖體力學(xué)參數(shù)的工業(yè)應(yīng)用上，人們的實(shí)踐研究較少。為此，本文作者以廣西高峰礦105號(hào)礦體的某深部中段礦體為研究對(duì)象，基于巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)5種可行的回采方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析礦段在不同方案中時(shí)變演化規(guī)律，提出合理的安全回采順序。

1 工程概況

廣西高峰礦的105號(hào)礦體位于100號(hào)礦體的深部延伸段，已經(jīng)成為高峰礦的主要開采礦體，賦存在礁灰?guī)r中，埋深絕對(duì)高差為800~1 000 m。該礦段受多年前的非法盜采，礦體內(nèi)空區(qū)復(fù)雜，巷道眾多，裂隙發(fā)育，礦巖強(qiáng)度較低，不穩(wěn)固，深部開采的地應(yīng)力高等，給礦山開采的安全性帶來了極大威脅。同時(shí)，該礦山的資源品位高，價(jià)值大，為保障該礦體開采的安全性，需對(duì)礦體的整體開采順序進(jìn)行分析和確定。由于?150 m水平以上的礦體大部分已開采完畢，目前?200 m以上的開采范圍主要集中在?150~?200 m，主要對(duì)該區(qū)段的整體開采順序進(jìn)行優(yōu)化。

2 模型構(gòu)建與方案設(shè)計(jì)

2.1 模型的建立

由礦山實(shí)際地質(zhì)賦存條件和空區(qū)探測(cè)結(jié)果建立三維立體模型。為簡化計(jì)算，選取105號(hào)礦體?150~ ?200 m區(qū)段的礦體實(shí)際三維模型北部的部分礦體模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。依據(jù)圣維南原理，選擇區(qū)域礦體3倍半徑范圍為模型邊界，計(jì)算礦段實(shí)體與模型的空間三維關(guān)系，如圖1(a)所示。模型長×寬×高為540 m×360 m×300 m，劃分網(wǎng)格后共有55 236個(gè)節(jié)點(diǎn)，29 9421個(gè)單元，其中計(jì)算礦段網(wǎng)格模型見圖1(b)。巖體采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，計(jì)算模型的側(cè)面為水平位移約束，底面固定，上表面為自由邊界，并根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力以自重應(yīng)力施加荷載環(huán)境參數(shù)。

(a) 計(jì)算礦段實(shí)體模型；(b) 計(jì)算礦段網(wǎng)格模型

2.2 時(shí)變演化下巖體力學(xué)參數(shù)

由于地下礦山開挖過程的非線性時(shí)變特性，其最后力學(xué)狀態(tài)不但取決于加載過程，而且取決于分析對(duì)象幾何域或物理參數(shù)的時(shí)變特征值[12]，其巖體力學(xué)參數(shù)的時(shí)變特征值尤為關(guān)鍵。在開挖采礦初期，巖體參數(shù)選取初始物理力學(xué)參數(shù)，，和，見表1(其中，為體積彈性模量；為剪切彈性模量；為內(nèi)摩擦角；為黏聚力)。

表1 巖體初始物理力學(xué)參數(shù)

一步驟開挖后，對(duì)已開挖采場的周邊擾動(dòng)影響區(qū)內(nèi)采場礦巖力學(xué)參數(shù)選取時(shí)變的巖體力學(xué)參數(shù)1，1，1和1，逼近實(shí)際弱化情況，巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)計(jì)算式[8]如下：

式中：1=0.5；1=1.15；為彈性模量；為泊 松比。

2.3 回采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)回采可行方案的分析與模型特征，開挖礦體區(qū)域的編排由右向左(由南向北)依次為1~9，并對(duì)該礦段左部存在的3個(gè)空區(qū)，回采前先進(jìn)行空區(qū)充填處理。設(shè)計(jì)的5種可行回采方案見表2，巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)計(jì)算流程見圖2。

圖2 巖體時(shí)變力學(xué)參數(shù)計(jì)算流程

表2 整體礦段回采方案設(shè)計(jì)

注：采1表示開采礦段1號(hào)采場；充1表示充填礦段1號(hào)采場；編號(hào)1~9采場見圖1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 時(shí)變應(yīng)力場分析

隨著回采與充填時(shí)步的推進(jìn)，頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力時(shí)變曲線整體上呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)，如圖3(a)所示。在方案1中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，達(dá)到3.96 MPa，且開挖步數(shù)多，拉應(yīng)力持續(xù)時(shí)間最長，巖體受拉產(chǎn)生的拉裂破壞顯著；方案2，3，4和5中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力分別為3.48，3.16，3.11和3.68 MPa，都達(dá)到或超過了圍巖的抗拉強(qiáng)度；方案3和方案4在開挖完畢后的最大拉應(yīng)力相對(duì)最小，因?yàn)殚_采方式為隔一采一，從空間上錯(cuò)開了開挖順序，避免了同一開挖順序中各采場間的相互影響。方案2的最大拉應(yīng)力是方案1，2和5中最小的，這是由于隨著開采向一端或兩端推進(jìn)，已回采完畢并充填后的采場形成了整片支撐區(qū)，相當(dāng)于留有較大的支撐礦柱，最后壓縮沉降。

(a) 最大拉應(yīng)力；(b) 最大壓應(yīng)力

由最大壓應(yīng)力時(shí)變曲線可知：最大壓應(yīng)力為45.95~102.75 MPa，如圖3(b)所示；方案1~5的最大壓應(yīng)力分別為102.75，102.60，102.20，95.64和71.74 MPa，均已達(dá)到圍巖抗壓強(qiáng)度；方案1的最大壓應(yīng)力最大，方案5的最??；最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在空區(qū)周圍的邊角應(yīng)力集中區(qū)域，因?yàn)殚_挖到空區(qū)內(nèi)的采場，雖然空區(qū)已經(jīng)充填，但由于周圍采場巖體物理力學(xué)參數(shù)弱化以及充填體的強(qiáng)度較低，因此，在空區(qū)周圍邊角出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象。開挖采場后應(yīng)力轉(zhuǎn)移到空區(qū)周圍，所以，最大壓應(yīng)力時(shí)變曲線整體表現(xiàn)出無規(guī)律性。最后一步開挖完畢后，方案1的最大壓應(yīng)力最小，方案2和方案4的次之，且方案二開挖步數(shù)較方案1的少。

3.2 時(shí)變位移場分析

采動(dòng)引起的圍巖變形與位移是導(dǎo)致頂板圍巖發(fā)生大的形變冒落偏幫和底板底鼓的原因，影響到采場、巷道的穩(wěn)定，危及作業(yè)人員安全[13]。對(duì)比頂板時(shí)變位移和底板時(shí)變位移各方案可知(如圖4所示)：隨著開采推進(jìn)，采空區(qū)暴露面積增大，充填體強(qiáng)度較低，支撐能力有限，導(dǎo)致頂?shù)装逦灰撇粩嘣黾?；在最后回采步時(shí)，頂?shù)装逦灰贫歼_(dá)到最大值。各方案中頂板最大位移分別為50.0，38.0，74.0，64.9和70.5 mm，底板最大垂直位移(底鼓)分別為48.6，34.9，47.6，45.8和46.4 mm。研究結(jié)果表明：方案2的頂?shù)装逦灰普w上都比其他4種方案的小，且方案2的頂板最大位移和底板最大位移分別為38.0 mm和34.9 mm，是這5種方案中最小的。

(a) 頂板；(b) 底板

3.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)是開采過程中巖體達(dá)到塑性破壞的直觀顯示，各方案回采中典型塑性區(qū)云圖如圖5所示。由圖5可知：在每步開挖過程中，上盤主要發(fā)生剪切破壞，而頂?shù)装灏l(fā)生拉伸破壞，在靠近采場空區(qū)內(nèi)礦巖體形成貫通的塑性區(qū)，并形成采場空區(qū)的塑性包絡(luò)特征，如方案3、方案4和方案5；方案1和方案2的塑性區(qū)體積都在最后一步達(dá)到最大值，但沒有形成繞采場的貫通區(qū)；在既有采空區(qū)內(nèi)，由于受到采動(dòng)的繼續(xù)擾動(dòng)，進(jìn)一步形成大量的塑性破壞，可造成采空區(qū)的冒落和垮塌事故，必須在采動(dòng)前對(duì)既有采空區(qū)進(jìn)行處理。各方案的塑性區(qū)體積如表3所示。從表3可以看出：方案3和方案4的剪切破壞體積與其他3種方案相比明顯過大，這與塑性區(qū)云圖情況吻合；方案5中，每步驟開挖完畢后發(fā)生的剪切破壞體積和總的拉伸破壞體積都比方案1和方案2的大，方案1和方案2的剪切破壞體積和總的拉伸破壞體積處于同一數(shù)量級(jí)，方案2稍比方案1的大。

表3 不同狀態(tài)的塑性區(qū)體積最大值

注：狀態(tài)欄中，剪切、拉伸1和2分別為1表示“本次工況發(fā)生的塑性狀態(tài)”，2表示“既有工況已經(jīng)產(chǎn)生的塑性狀態(tài)”。

3.4 方案比選

本礦段屬于礦山的深部開采，為保障礦山的安全高效開采，必須提高礦山的采場開采強(qiáng)度和降低礦山的安全隱患?；趲r體時(shí)變力學(xué)參數(shù)的數(shù)值仿真模擬結(jié)果，方案2的應(yīng)力受雙向采動(dòng)影響不是最小，但位移最小，塑性區(qū)沒有形成采場圍巖的貫通，其塑性區(qū)體積較小，并且2個(gè)采場同時(shí)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力大，有利于強(qiáng)化開采和安全保障。故方案2較優(yōu)。

(a) 方案3；(b) 方案4；(c) 方案5；(d) 方案1；(e) 方案2；(f) 采場9空區(qū)

4 結(jié)論

1) 所設(shè)計(jì)的開采方案中，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都達(dá)到了圍巖的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，且都發(fā)生在采場邊部圍巖的應(yīng)力集中處；在回采前，需要對(duì)既有的采空區(qū)進(jìn)行充填處理，降低擾動(dòng)對(duì)既有空區(qū)的二次擾動(dòng)破壞。

2) 隨著開采的推進(jìn)，頂?shù)装逦灰浦饾u增大，在最后一步達(dá)到最大值。5種方案中，方案3和4發(fā)生剪切破壞的體積比方案1，2和5的大，方案5發(fā)生拉伸破壞的體積最大；方案2和方案1的塑性區(qū)體積最大，方案2的塑性區(qū)體積比方案1的稍大。

3) 從高效安全角度出發(fā)，綜合分析各方案頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力、壓應(yīng)力、沉降位移以及各狀態(tài)下的塑性區(qū)體積，方案2為最優(yōu)回采順序方案。

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(編輯 陳燦華)

Optimization of mining sequence based on rock mass time-varying mechanics parameters

HU Jianhua1, XI Zhiqin1, LUO Xianwei2, ZHOU Keping1, AI Zihua1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangxi Gaofeng Mining Co. Ltd., Nandan 547200, China)

Based on the time-varying parameter evolution law of rock mass mechanics, five kinds of mining sequence schemes were designed in the deep section of Gaofeng mine. The 3D finite element model with the goafs was built by the coupled modeling technique in deep mine sections. Using the FLAC3D program, the evolution laws of space and time were simulated to different mining sequences based on the time-varying mechanical parameters of rock mass. The results show that the maximum values of tensile and compressive stress reach the tensile and compressive strength of rock mass. In order to ensure safety of the mining, the goafs should be handled in time. With the mining process, the displacement increases gradually in the roof and floor. The displacement reaches the maximum in the last step. In the five cases, the maximum subsidences of the roof are 50.0, 38.0, 74.6, 64.9 and 70.5 mm, and the maximum vertical displacement of the floor is 68.6, 34.9,47.6,45.8 and 46.4 mm, respectively. The plastic failure is mainly manifested in shear and tensile failure to the rock mass. For the plastic volume, the volumes of the shear failure of cases 3 and 4 are larger than those of the cases 1, 2 and 5; the volume of the tensile failure of case 5 is the largest; the volume of case 2 is slightly more than that of case 1. For comprehensive production capacity, deformation, stress and plastic damage characteristics of stope, the case 2 is the best.

time-varying mechanics parameters; mining sequence; stress and displace; plastic damage; optimization

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.028

TD851

A

1672?7207(2017)10?2759?06

2016?10?30；

修回日期：2016?12?28

國家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAB12B01)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41672298)；中南大學(xué)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目(2015CX005)(Project(2015BAB12B01) supported by the National Science and Technology Support Program during 12th Five-Year; Project(41672298) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015CX005) supported by the “Innovation Drive Plan” of Central South University)

胡建華，博士，教授，從事高效安全采礦技術(shù)與巖土工程的穩(wěn)定性分析研究；E-mail：hujh21@126.com