蔣永春

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205)

0 引 言

銅坑礦是一座具有幾十年歷史的老礦山,開采過程中產生了大量的采空區(qū),復雜空區(qū)群造成了井下圍巖應力分布異常復雜,是一個重大安全隱患,嚴重威脅礦山的安全生產[1G2].

空區(qū)群結構致災的原因是復雜的,其中應力作用是一個主要原因.由于空區(qū)群具有隱伏性、危險性、難以靠近等特點,因此其失穩(wěn)破壞的過程是難以觀察的.空區(qū)群的結構效應[3]又導致了其失衡機理復雜多變,難以直接探究其失穩(wěn)機理.

通過數(shù)值模擬計算方法對空區(qū)群結構失穩(wěn)破壞過程進行模擬,探究空區(qū)群結構力學效應的變化規(guī)律是一種簡單可行的辦法[4G7].巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA是一種模擬非連續(xù)介質從細觀破裂到宏觀破裂直至全過程失穩(wěn)的數(shù)值試驗工具[8].運用RFPA對銅坑礦典型空區(qū)群進行漸進失穩(wěn)破壞的數(shù)值模擬,以探究空區(qū)群結構力學效應變化規(guī)律.

1 計算區(qū)域的選取

通過對92＃礦體空區(qū)群的空間分布情況進行分析,選取以下典型空區(qū)群作為本次數(shù)值模擬計算區(qū)域:勘探線204－1上的T417,T416,T415空區(qū)群;勘探線206－1上的T610,T609空區(qū)群;勘探線202－2上的T206,T203,T202空區(qū)群.從空間分布、空區(qū)大小及空間間距情況都具有代表意義,其空間分布有上下、平行和斜交三種類型;空區(qū)體積最大的達到150000 m3,其頂板面積最大達4000 m2;空區(qū)間距為6~85 m不等.所選空區(qū)群基本代表了銅坑礦井下空區(qū)群分布的特點.

2 RFPA數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)值計算模型

根據模型大小和RFPA軟件運算能力,對不同模型選取不同的模型范圍和單元大小(見表1),建立的RFPA計算模型如圖1所示.

表1 隱患空區(qū)REPA計算模型參數(shù)

圖1 各勘探線RFPA計算模型

2.2 基元賦值

基元參數(shù)是根據礦巖性質進行選取的.依據92＃礦體及圍巖的性質,選取的基元參數(shù)見表2[9].

表2 銅坑礦巖體基元參數(shù)

2.3 初始地應力及邊界條件

巖體的地應力由自重應力與構造應力組成.巖體自重應力是豎直向下的,與其密度密切相關;構造應力較為復雜,據測量與實驗,本礦構造應力并不顯著.因此,應力主要是巖石自重應力.

銅坑礦的原巖應力主要是自重應力,與單軸抗壓的平面應變模型相似,因此其邊界條件可設置為:應力加載方向為Y軸向下,約束條件為不約束.自重應力根據空區(qū)群上方巖體自重進行求取.

3 空區(qū)群結構力學效應模擬分析

模型X方向外邊界限制垂直于邊界的位移,模型Y方向第一步施加外荷載3 MPa,以后以每一步0.25 MPa的加載量進行加壓模擬.在模擬過程中假定空區(qū)群是一次預先形成,只需要RFPA系統(tǒng)進行加載,重點研究圍巖系統(tǒng)的起裂部位和破裂演化路徑及其與空區(qū)群結構相互作用關系.

3.1 勘探線204－1的空區(qū)群

圖2為勘探線204－1空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程的剪應力分布.

(1)隨著加載至第5步時(壓應力為4.25 MPa),每個空區(qū)頂板均未出現(xiàn)拉破裂,而T417,T416,T415空區(qū)礦柱上剪應力逐漸增大,出現(xiàn)了剪切微裂紋;隨后微裂紋逐漸增加形成微破裂帶,深入礦柱中,由于空區(qū)之間距離較遠,空區(qū)未能連成一片,因此,沒有形成一個大的聯(lián)合空區(qū);

(2)加載至第9步時(壓應力為5.25 MPa),T417空區(qū)頂板首先出現(xiàn)了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發(fā)展,形成片幫現(xiàn)象.

(3)至第21步時,T417空區(qū)頂、底板均出現(xiàn)較大的拉破裂,且隨著進一步加載,拉破裂進一步增大.

(4)至第34步時(壓應力達11.50 MPa),T415空區(qū)也出現(xiàn)了較大的拉破裂,T417空區(qū)則整體突發(fā)失穩(wěn).

(5)至第53步時,T417,T416,T415空區(qū)都被破壞,3個空區(qū)整體失穩(wěn).

圖2 勘探線204－1空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

3.2 勘探線206－1的空區(qū)群

圖3 為勘探線206－1空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程的剪應力分布.

(1)隨著壓應力的加載,空區(qū)周邊圍巖應力發(fā)生重大變化,突出表現(xiàn)在空區(qū)間柱上.隨壓應力的不斷加載,間柱上的剪應力急劇增大,間柱上出現(xiàn)了微裂紋,此后微裂紋不斷向間柱深處發(fā)展.

(2)加載至第5步時(壓應力為4.25 MPa),首先在T610,T609空區(qū)右?guī)统霈F(xiàn)微裂紋,隨著應力波的逐步向上傳播,裂紋不斷往空區(qū)上方擴展.

(3)加載至第14步時(壓應力為6.50 MPa),空區(qū)頂板首先出現(xiàn)了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發(fā)展,形成片幫和垮落現(xiàn)象.由于空區(qū)間柱寬度只有6 m,裂紋最先在該位置貫通致使空區(qū)間柱失去支撐能力,此時空區(qū)群結構整體功能基本失效,但結構形式尚存,仍能夠發(fā)揮部分殘余支撐作用.

(4)加載至第25步時(壓應力達9.25 MPa),空區(qū)間的間柱發(fā)生斷裂破壞,空區(qū)群－圍巖系統(tǒng)突發(fā)整體性失穩(wěn).

圖3 勘探線206－1空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

3.3 勘探線202－2的空區(qū)群

圖4 為勘探線202－2空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程中的剪應力分布.

圖4 勘探線202－2空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

(1)由于T206空區(qū)與其它空區(qū)間距相對較大,達85 m,因此,其它空區(qū)的存在對其影響相對較少.加載壓應力后空區(qū)只出現(xiàn)局部微裂紋,擴展速度緩慢.

(2)T202與T203空區(qū)在空間上處于上下斜交位置,間距寬度只有6 m,隨著壓應力的進一步增大,空區(qū)周邊圍巖應力發(fā)生重大變化,尤其表現(xiàn)在斜交的間柱上.隨壓應力進一步增大,間柱上的剪應力急劇增大,間柱上出現(xiàn)了微裂紋,此后微裂紋逐漸向圍巖深處發(fā)展,貫通于整個礦柱,礦柱失去支撐能力.

(3)加載至第4步時(壓應力為4.00 MPa),首先在T203空區(qū)右上方出現(xiàn)局部片幫垮落的現(xiàn)象,隨著壓應力的近一步增大,片幫范圍不斷向外擴展.

(4)加載至第16步時(壓應力為7.00 MPa),T202與T203空區(qū)間的間柱發(fā)生斷裂破壞,導致兩小空區(qū)連通成大空區(qū).

4 結 論

(1)在自重應力為主作用下,空區(qū)群中各個空區(qū)頂板均會出現(xiàn)拉破壞,導致空區(qū)頂板失穩(wěn)破壞.由此可見拉破壞是頂板破壞的主要原因.

(2)空區(qū)間上下斜交的薄礦柱最易失穩(wěn)破壞,導致小空區(qū)連通成大空區(qū),極易出現(xiàn)空區(qū)群突發(fā)性整體失穩(wěn)的重大事故.

(3)空區(qū)群中距離其他空區(qū)較遠的空區(qū),如勘探線202－2上的T206空區(qū),其實一定程度上相當于單個獨立空區(qū),不易發(fā)生失穩(wěn).

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