張紀(jì)堂,翁麗媛,左世曉,胡軍偉,宋 陽,劉彬彬,董 岳*
(1.臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司,山東 臨沂 277700;2.山東科技大學(xué),測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)
山東某千米開采礦井,為有效地控制覆巖及地表變形,保護(hù)地表建(構(gòu))筑物,采用條帶開采法解放村下壓礦。由于深井留設(shè)條帶承擔(dān)的上覆巖層載荷較大,留設(shè)條帶的長(zhǎng)期穩(wěn)定是深井條帶開采是否成功的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)深井留設(shè)條帶長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究具有重大的意義[1,2]。
國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖石蠕變特性提出西原模型、Burger模型、Maxwell模型等。研究表明:最有效地解決大埋深高地應(yīng)力條件下礦巖的塑性變形,是基于Burgers模型組合而成的Mohr-Coulomb模型[3,4]。本文應(yīng)用FLAC3D中的蠕變模型,模擬了千米深井留設(shè)條帶的蠕變特性,得到了千米深井留設(shè)條帶穩(wěn)定性的時(shí)序變化規(guī)律。
山東某礦礦32采區(qū)因村莊壓礦采用條帶開采方案,該區(qū)域共布設(shè)6個(gè)條帶開采工作面,各工作面信息如表1所示,開采時(shí)間為2011年10月至2017年10月。
表1 32采區(qū)工作面概況
改進(jìn)Burgers模型中Kelvin體、Maxwell體和塑性體分別以上標(biāo)K、M、P表示,該模型應(yīng)變速度表示為:
其中,Maxwell體應(yīng)變速度為:
Kelvin體應(yīng)變速度為:
Mohr-Coulomb塑性體應(yīng)變速度為:
體積特性為:
式中:K為體積模量,G為剪切模量,η為粘滯系數(shù),Sij為偏應(yīng)力,eij為偏應(yīng)力分量,σ0、σ3分別為最小和最大主應(yīng)力。
Mohr-Coulomb包括剪切準(zhǔn)則和拉伸準(zhǔn)則在內(nèi)的剪切屈服函數(shù)和潛在的剪切斷裂函數(shù)如下:
拉伸屈服函數(shù)與拉伸破壞勢(shì)函數(shù)為:
有限增量為:
上劃線表示在一個(gè)時(shí)步內(nèi)所取得的值。
式中,上標(biāo)N和O分別描述為新值和舊值。
(1)蠕變模型。FLAC3D中的蠕變模式提供了8種蠕變本構(gòu)模型,分別為:①經(jīng)典粘彈性模型model viscous:此模型采用經(jīng)典Maxwell蠕變模型,描述巖石彈性和黏性性質(zhì);②model burgers:此模型采用經(jīng)典Burgers蠕變模型,它可以反映巖石的粘彈性,但不能描述屈服狀態(tài)和加速蠕變的階段;③二分量?jī)缍赡P蚼odel power:此模型廣泛用于采礦工程;④model wipp:一般用于研究核廢料處置;⑤model cvisc:第二個(gè)模型的變形形式,遵循Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,該模型可模擬材料進(jìn)入屈服后的狀態(tài);⑥model cpow:為第三個(gè)模型的擴(kuò)展形式,遵循Mohr-Coulomb準(zhǔn)則;⑦model pwipp:為第四個(gè)模型的變形形式;⑧model cwipp:為第四個(gè)模型的擴(kuò)展模型,可模擬材料壓硬和剪縮行為。
本次數(shù)值模擬采用的是軟件內(nèi)置cvisc模型。
(2)數(shù)值模擬。根據(jù)山東礦區(qū)32個(gè)礦山的地質(zhì)條件,建立了深部安全帶支架立柱蠕變的數(shù)值模擬模型,確定了該立柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。數(shù)值模型在X,Y和Z方向上的尺寸分別為1000m和500m,模型中的立柱尺寸設(shè)置為130m,在模型頂部施加12MPa的載荷,代替上覆地層的重量,并在側(cè)向施加荷載,側(cè)向應(yīng)力為垂直應(yīng)力的0.8倍。
(3)采深1000m留設(shè)條帶長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析。通過工作面開挖過程靜力及礦柱蠕變計(jì)算,獲得了留設(shè)條帶在3年內(nèi)的蠕變變形值,圖1、圖2分別為條帶開采3年后留設(shè)條帶蠕變垂直應(yīng)力云圖與垂直變形云圖。
圖1 開采3年后留設(shè)條帶垂直應(yīng)力分布
圖2 開采3年后留設(shè)條帶垂直變形
從時(shí)間角度看,留設(shè)條帶在開采結(jié)束初期,橫向變形值及垂直應(yīng)力增幅較大。開采后二十個(gè)月,它趨于穩(wěn)定,這表明極點(diǎn)將在此后進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3 留設(shè)條帶不同深度處隨時(shí)間變化的橫向變形(H=1000m)
(4)采深500m留設(shè)條帶長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析。為了研究采礦深度對(duì)皮帶支柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響,改變了采礦深度,并按比例減小了巖石層的厚度?,F(xiàn)在,通過數(shù)值計(jì)算了500m深度的巖柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,在模型的頂部施加5.5MPa的載荷來代替覆巖的重量,垂直應(yīng)力為剪切應(yīng)力的0.8倍,模擬結(jié)果圖4、5所示。
圖4 留設(shè)條帶不同深度處隨時(shí)間變化的橫向變形(H=500m)
圖5 留設(shè)條帶不同深度處隨時(shí)間變化的垂直應(yīng)力分布(H=500m)
(1)采用FLAC3D軟件,對(duì)采深1000m留設(shè)條帶長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了采礦作業(yè)結(jié)束后36個(gè)月內(nèi)立柱的橫向變形和豎向應(yīng)力分布。
(2)采深500m的留設(shè)條帶蠕變過程模擬表明,留設(shè)條帶的塑性區(qū)發(fā)育至留設(shè)條帶內(nèi)6m~7.5m處,留設(shè)條帶的蠕變?cè)诰咨a(chǎn)16個(gè)月后穩(wěn)定下來,并且留設(shè)條帶可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)。