盧 亮,張 寶,劉祿來
(1.西和縣中寶礦業(yè)有限公司, 甘肅 隴南市 742100;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012)
基于FLAC3D的四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性分析
盧 亮1,張 寶2,劉祿來1
(1.西和縣中寶礦業(yè)有限公司, 甘肅 隴南市 742100;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012)
根據(jù)四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)分布情況,運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型,共獲得21個采空區(qū),采空區(qū)體積共計19萬m3。選擇三維有限差分程序FLAC3D進行采空區(qū)穩(wěn)定性仿真模擬計算,計算結(jié)果表明,采空區(qū)上下盤圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生局部小范圍脫落,采空區(qū)周圍的礦柱穩(wěn)定性都較好,發(fā)生采空區(qū)頂板大面積跨落的安全隱患很低,只需進行磚石封閉即可。
采空區(qū); FLAC3D;穩(wěn)定性;數(shù)值模擬
四兒溝門金礦為地下開采礦山,共有5個生產(chǎn)水平。礦山采用平硐+斜井+豎井聯(lián)合開拓,現(xiàn)階段采用無底柱淺孔留礦法回采礦體。1 m3鏟運機在進路鏟運礦石至溜礦井,再由礦車裝礦,電機車牽引礦車至井底車場,最后提升至地表。
礦區(qū)內(nèi)礦體、圍巖均比較軟弱,穩(wěn)固性較差,后期斷裂發(fā)育,坑道掘進時,一般需支護。礦體頂板f系數(shù)為7,礦體均值為7,底板為8。礦巖體重2.60 t/m3,礦巖松散系數(shù)1.5。該塊段水文地質(zhì)條件簡單,地表允許陷落。
四兒溝門金礦2#礦區(qū)無底柱淺孔留礦法設(shè)計的采礦貧化率為10%、損失率為15%。在實際生產(chǎn)中,井下預(yù)留了大量的安全礦柱以保障安全開采,采礦貧化控制得比較好,但由此造成的礦柱損失卻非常大,初步統(tǒng)計損失在20%~30%。
隨著開采時間的增加,井下積累了大量的采空區(qū),采空區(qū)穩(wěn)定性整體在降低,給安全生產(chǎn)管理帶來不小的影響。目前,急需了解井下采空區(qū)的分布情況,計算采空區(qū)的穩(wěn)定性狀況,以判斷采空區(qū)是否存在安全隱患,對井下生產(chǎn)有影響程度,指導(dǎo)生產(chǎn)組織和安全管理工作。
1.1 采空區(qū)調(diào)查及三維建模
總體來說,四兒溝門金礦2#礦區(qū)井下管理嚴(yán)格,采場在回采過程中預(yù)留的安全礦柱均保存比較完整。頂?shù)字穸绕骄鶠? m,個別區(qū)域約為5 m。除1040 m中段108892采場與1080 m中段的頂柱已塌落外,其他采空區(qū)上下、左右、前后貫通現(xiàn)象不明顯。因此,采空區(qū)形態(tài)總體比較規(guī)整,采場塌方、冒落現(xiàn)象不多。
通過查看每月采場驗收圖、采空區(qū)剖面投影圖、礦體賦存狀態(tài)、技術(shù)人員描述,按資料準(zhǔn)確度和完整性,采用3DMine軟件的相關(guān)實體建模功能生成三維模型,建模步驟如下:
(1) 采空區(qū)資料分類:首先,按照準(zhǔn)確度與完整性對采空區(qū)調(diào)研資料進行分類。簡單可劃分為四類:每月采場驗收圖、采空區(qū)剖面投影圖、礦體賦存狀態(tài)、技術(shù)人員描述。
(2) 直接生成三維模型:當(dāng)采空區(qū)原始資料準(zhǔn)確、齊全,如每月采場驗收圖都保存齊全時,可直接采用3DMine軟件的相關(guān)實體建模功能生成三維模型。
(3) 綜合生成三維模型:當(dāng)采空區(qū)原始資料并不是齊全,如只有一兩月采場驗收圖時,參照采空區(qū)剖面圖、礦體賦存狀況,生成三維模型。
(4) 綜合生產(chǎn)技術(shù)人員對采空區(qū)采高、頂?shù)字烷g柱保存情況的描述,對采空區(qū)三維模型進行修正處理。
綜合利用四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)資料,運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型,準(zhǔn)確地獲得了各中段采空區(qū)的實際邊界和采空區(qū)形態(tài)等相關(guān)信息。采空區(qū)與地表模型復(fù)合三維模型如圖1和圖2所示。
圖1 四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)三維空間模型
圖2 四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)+地表三維空間模型
1.2 采空區(qū)分布情況統(tǒng)計分析
根據(jù)采空區(qū)三維數(shù)字模型,四兒溝門金礦2#礦區(qū)共建立有21個采空區(qū),采空區(qū)體積共計19萬m3。
通過統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)礦山采空區(qū)走向上分布比較集中(如圖3、圖4所示),主要集中在88~92勘探線范圍,其約占總采空區(qū)體積的63%;各生產(chǎn)水平采空區(qū)分布也相對集中,主要在1040,1080 m中段分布比較多,約占總采空區(qū)體積的58%。
一般來說,采空區(qū)集中的地段,其穩(wěn)定性相對較差。因此,采空區(qū)相對集中的區(qū)域是判斷采空區(qū)穩(wěn)定性狀況的關(guān)鍵位置,應(yīng)作為重點分析對象。
2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法
地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價是一個非常復(fù)雜的動態(tài)災(zāi)害系統(tǒng)工程問題研究過程。比較常用的分析方法有:概率危險性分析法、模糊安全分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、事故樹分析法、灰色層次分析法、Mathews穩(wěn)定圖分析法、數(shù)值模擬分析法以及工程經(jīng)驗類比法等。
三維有限差分程序FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是目前應(yīng)用最廣泛的巖土模擬分析軟件。該軟件采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù),能夠進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。該法是將研究對象劃分成網(wǎng)格,物理網(wǎng)格映射在數(shù)學(xué)網(wǎng)格上。對于網(wǎng)格中的結(jié)點,假設(shè)某一時刻各個結(jié)點的速度為己知,根據(jù)高斯定理可以求得單元的應(yīng)變增量,然后由材料的本構(gòu)關(guān)系求得單元的應(yīng)力增量以及全應(yīng)力。采用該方法求解時,要求介質(zhì)在變形過程中連續(xù)。由單元應(yīng)力可以求得各結(jié)點上的不平衡力,進而求得結(jié)點在不平衡力作用下產(chǎn)生的加速度和速度,由速度再求得下一時步的單元應(yīng)變和應(yīng)力。如此循環(huán)直至問題收斂,最終獲得模擬計算結(jié)果。
2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性狀況
根據(jù)FLAC3D軟件計算結(jié)果,選取了90線和97線兩個采空區(qū)集中的關(guān)鍵剖面進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析。
2.2.1 90線剖面采空區(qū)穩(wěn)定性
90線剖面的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分別如圖5~圖8所示。
從圖中可以發(fā)現(xiàn),下部幾個中段采空區(qū)間頂柱出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力為1.57 MPa;采空區(qū)上下盤出現(xiàn)壓應(yīng)力集中,最大壓應(yīng)力在15.1 MPa范圍內(nèi);采空區(qū)上下盤圍巖位移量較小,最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區(qū)附近主要以剪破壞為主,剪破壞比較零散。
因此,90線剖面附近采空區(qū)上下盤圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落,但影響范圍較小,采空區(qū)塑性破壞范圍較少,對采空區(qū)整體穩(wěn)定性影響不大,總體穩(wěn)定性較好。
圖3 四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)沿走向分布
圖4 四兒溝門金礦2#礦區(qū)各生產(chǎn)水平分布
圖5 四兒溝門金礦2#礦區(qū)90線最小主應(yīng)力分布
圖6 四兒溝門金礦2#礦區(qū)90線最大主應(yīng)力分布
圖7 四兒溝門金礦2#礦區(qū)90線豎向位移分布
圖8 四兒溝門金礦2#礦區(qū)90線塑性區(qū)分布
2.2.2 97線剖面采空區(qū)穩(wěn)定性分析
97線剖面的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移和塑性區(qū)分別如圖9~圖12所示。
從圖中可以發(fā)現(xiàn),下部幾個中段采空區(qū)間頂柱出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力為0.71 MPa;采空區(qū)上下盤出現(xiàn)壓應(yīng)力集中,最大壓應(yīng)力在8.24 MPa范圍內(nèi);采空區(qū)上下盤圍巖位移量較小,最大位移值小于2 cm。該剖面線位置采空區(qū)附近以剪破壞為主,剪破壞比較零散。
因此,97線剖面附近采空區(qū)上下盤圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落,但影響范圍較小,采空區(qū)塑性破壞范圍較少,對采空區(qū)整體穩(wěn)定性影響不大,總體穩(wěn)定性較好。
圖9 四兒溝門金礦2#礦區(qū)97線最小主應(yīng)力
圖11 四兒溝門金礦2#礦區(qū)97線豎向位移分布
圖12 四兒溝門金礦2#礦區(qū)97線塑性區(qū)分布
2.3 采空區(qū)安全隱患辨識
根據(jù)上述采空區(qū)比較集中地段的關(guān)鍵剖面進行穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算結(jié)果分析,可知采空區(qū)上下盤圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落,但影響范圍較小,采空區(qū)周圍的礦柱穩(wěn)定性都較好,基本未發(fā)生塑性破壞??傮w來說,四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性較好。
因此,由于采空區(qū)周圍礦柱穩(wěn)定性好,該礦區(qū)采空區(qū)不存在發(fā)生大規(guī)模冒落的危害。即使在井下爆破震動等因素的強烈擾動下,發(fā)生采空區(qū)大面積頂板跨落的可能性總的來說較低。局部的采空區(qū)頂部小范圍冒落,不會造成沖擊波危害。
據(jù)此,只需對這些采空區(qū)進行磚石封閉即可,以防人員誤入,造成傷害事故。
(1) 根據(jù)四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)資料,運用AutoCAD和3DMine軟件建立起了采空區(qū)三維可視化數(shù)字模型,共建立有21個采空區(qū),采空區(qū)體積共計19萬m3,準(zhǔn)確地獲得了各中段采空區(qū)的實際邊界和采空區(qū)形態(tài)。通過統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)采空區(qū)走向上分布比較集中,主要集中在88~92勘探線范圍,其約占總采空區(qū)體積的63%;各生產(chǎn)水平采空區(qū)分布也相對集中,主要在1040,1080 m中段分布比較多,占約總采空區(qū)體積的58%。
(2) 選擇三維有限差分程序FLAC3D進行采空區(qū)穩(wěn)定性仿真模擬計算,并選取了90線和97線兩個采空區(qū)集中的關(guān)鍵剖面進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析。根據(jù)模擬計算結(jié)果分析,可知區(qū)內(nèi)采空區(qū)上下盤圍巖容易因拉應(yīng)力存在而發(fā)生脫落,但影響范圍較小,采空區(qū)周圍的礦柱穩(wěn)定性都較好,基本未發(fā)生較大范圍的塑性破壞。
總體來說,由于采空區(qū)周圍礦柱穩(wěn)定性好,該礦區(qū)采空區(qū)不存在發(fā)生大規(guī)模冒落的危害,四兒溝門金礦2#礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性較好。井下爆破震動等因素的強烈擾動下,發(fā)生采空區(qū)頂板大面積跨落的可能性還是很低,不會引發(fā)沖擊波危害等安全隱患。因此,對于區(qū)內(nèi)采空區(qū)只需進行磚石封閉即可,以防人員誤入,造成傷害事故。
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盧 亮(1980-),男,山東萊州人,助理工程師,主要從事采礦工藝和安全管理方面研究,Email:luliang20110831@163.com。