任青云，楊錚正，劉 彬

（湖南有色金屬研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100）

隨著對(duì)礦產(chǎn)資源的開采，部分礦產(chǎn)開采深度逐步增加，礦山井筒深度也逐年增加，且部分礦山采用豎井開拓，由于前期未探明深部礦產(chǎn)資源，井筒延伸勢(shì)必穿過(guò)深部探明的礦體，以往劃定保安礦柱對(duì)井筒的保護(hù)，大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，為了能既經(jīng)濟(jì)又安全地保護(hù)井筒，本文采用MIDAS／GTS NX有限元軟件分析研究［1］設(shè)計(jì)方案確定12 m保安礦柱的合理性，為下一步礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 礦山基本概況

某地下礦山礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖的接觸帶附近，礦體呈透鏡體狀產(chǎn)出，走向北西—南東，傾向南西，傾角37°～41°。礦體厚度6.05～6.50 m，礦體沿走向長(zhǎng)約190 m，沿傾向?qū)挾?10～160 m左右。礦體底板賦存標(biāo)高117～193 m；頂板埋藏深度160～190 m。礦體頂、底板均為灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r。該礦體193 m標(biāo)高以上已基本采空。

設(shè)計(jì)某地下礦山開拓系統(tǒng)為豎井-盲豎井開拓。即利用已有主井1、主井2、副井、風(fēng)井分別作主井1、主井2、副井、風(fēng)井，利用盲井10作盲提升井，利用盲井7作盲風(fēng)井。盲風(fēng)井、風(fēng)井為回風(fēng)井。設(shè)計(jì)中段高度為 9～24 m，設(shè) 165 m、156 m、141 m、132 m、117 m五個(gè)開采中段。189 m、176 m為回風(fēng)（充填）水平。

其中盲提升井位于礦山開采移動(dòng)范圍內(nèi)，穿過(guò)1號(hào)礦體，因此設(shè)計(jì)在盲提升井周圍留設(shè)半徑12 m的保安礦柱。為明確礦山今后地下開采對(duì)地表錯(cuò)動(dòng)界線內(nèi)的主要井筒（主井1、盲提升井、副井、盲風(fēng)井）的影響范圍和程度，因此進(jìn)行了該礦山地下的三維有限元數(shù)值模擬分析。

2 基于MIDAS／GTSNX的礦體三維模型建立

利用Dimine礦山軟件生成礦山地表實(shí)體模型，然后將該地表模型導(dǎo)入到MIDAS／GTS中，建立該礦山的三維實(shí)體模型，如圖1所示。最后利用MIDAS／GTS自動(dòng)網(wǎng)格生成功能，生成該礦山的三維實(shí)體網(wǎng)格模型。

3 理論基礎(chǔ)及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

3.1 計(jì)算原理與邊界約束

計(jì)算過(guò)程礦巖及廢石均采用摩爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則［2，3］。

根據(jù)礦體開采對(duì)周邊巖體的影響范圍，模型采用自動(dòng)約束功能對(duì)邊界條件進(jìn)行約束，確定模型的邊界條件為模型的左右與前后均為單約束；模型底邊界定為全約束邊界；模型上邊界定為自由邊界，不予約束。

圖1 某地下礦山三維實(shí)體模型

3.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合該礦的巖石力學(xué)參數(shù)情況，確定了數(shù)值模擬計(jì)算需要的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移結(jié)果分析

礦巖位移狀態(tài)分為豎向位移和水平位移，計(jì)算的位移云圖如圖2和圖3所示。

從圖2豎向位移云圖可以看出，模型的豎直位移場(chǎng)呈現(xiàn)規(guī)律的分布，在礦體開采區(qū)上盤位移為“-”，表示隨著礦體的開采，頂板位移下沉。計(jì)算得出礦體頂板巷道豎向位移最大值為-2.18 cm，礦體開采底板巷道發(fā)生向上最大位移為+1.28 cm。在保安礦柱內(nèi)部盲提升豎井范圍內(nèi)，在礦體上盤最大豎直位移為-1.03 cm，礦體開采下盤井筒附近最大豎直位移為+0.41 cm。從位移分析圖中得知，盲提升井施工過(guò)程及運(yùn)行中，在礦體開采區(qū)上盤主要考慮礦體開采頂板下沉對(duì)井筒影響；在井筒下部區(qū)域，主要應(yīng)考慮礦體開采對(duì)井筒上拱位移的影響。

表1 巖體和充填體物理力學(xué)參數(shù)匯總表

圖2 盲提升井豎向位移云圖

圖3 盲提升井X方向位移云圖

井筒的位移狀態(tài)中，橫向位移決定井筒水平方向移動(dòng)變形，過(guò)量的橫向位移將直接導(dǎo)致井筒的剪切破壞，因此，橫向位移對(duì)井筒的影響同樣不可忽視。相對(duì)來(lái)說(shuō)，井筒的橫向位移較小，橫向位移選用X方向和Y方向位移予以顯示。從圖得知在X方向井筒附近區(qū)域基本沒(méi)有橫向位移，在Y方向發(fā)生最大0.27 cm的橫向位移。

綜合位移云圖分析得知，盲豎井留設(shè)12 m的保安礦柱方案是合理的。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

應(yīng)力場(chǎng)分析云圖如圖4和圖5所示，從應(yīng)力云圖可以看出礦體開采區(qū)域與井筒接觸處發(fā)生較大的應(yīng)力集中，周邊最大。往深部發(fā)展逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。開挖過(guò)程主應(yīng)力值都為負(fù)，即主應(yīng)力為壓應(yīng)力。

從圖4和圖5所示應(yīng)力計(jì)算結(jié)果得出：礦體開采的頂板與底板出現(xiàn)了局部的拉應(yīng)力集中。拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在礦體開采后的頂板與底板，最大拉應(yīng)力約為1.8 MPa，在盲主提升井區(qū)域出現(xiàn)壓力應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在礦體開采區(qū)域與井筒接觸處，最大壓應(yīng)力為28.1 MPa。

圖4 最小主應(yīng)力云圖

圖5 最大主應(yīng)力云圖

4.3 塑性區(qū)分析

從塑性區(qū)計(jì)算可以得出，礦體開采后塑性區(qū)主要分布在開挖空間附近，塑性區(qū)面積為22.1%，最大塑性變形為9.19×10-4，井筒周邊巖體僅有少量單元發(fā)生塑性破壞。

由于開挖空間與井筒間尚有一定距離（至少12 m的保安礦柱），且一次開挖區(qū)域并不大，礦體開挖后采空區(qū)進(jìn)行了充填，因此井筒周邊的塑性區(qū)變化并不明顯，在礦體開采上下盤井筒附近基本沒(méi)有塑性區(qū)。故在礦體開采施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和管理，開采中應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

5 結(jié) 論

本文采用三維數(shù)值模擬軟件，建立礦體三維有限元數(shù)值模型，論證設(shè)計(jì)留設(shè)保安礦柱為12 m的方案的合理性。數(shù)值模擬結(jié)果表明：

1.位移結(jié)果表明：在保安礦柱內(nèi)部盲提升豎井范圍內(nèi)，在礦體上盤區(qū)域井筒最大豎直位移為-1.03 cm，礦體開采區(qū)域下盤井筒附近最大豎直位移為+0.41 cm。礦體開采對(duì)井筒產(chǎn)生的變形量較小。

2.塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果表明：礦體開采后塑性區(qū)主要分布在礦體開挖空間附近，塑性區(qū)面積為22.1%，最大塑性變形為9.19×10-4。表明礦體開采對(duì)井筒沒(méi)有發(fā)生剪切破壞，井筒附近巖體結(jié)構(gòu)未受到破壞。

3.綜合考慮巖體位移、應(yīng)力、塑性形變等因素，設(shè)計(jì)對(duì)井筒留設(shè)12 m保安礦柱方案合理可靠。