韓華燁，周志偉，嚴(yán) 鵬

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 3. 鞍山五礦陳臺(tái)溝礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051)

深埋礦山最常使用的回采方法是房柱法或房柱嗣后充填采礦的方法[1]，開(kāi)采時(shí)，通過(guò)預(yù)留礦柱支撐頂部巖體以保證采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。然而，隨著淺層礦山資源的枯竭，采礦已經(jīng)逐漸向深部發(fā)展[2]，進(jìn)而暴露出動(dòng)力破壞乃至強(qiáng)沖擊地壓等新問(wèn)題[3]，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更加難以保證。合理的回采方式選擇已經(jīng)成為深埋礦山開(kāi)采的焦點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)研究將具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)礦柱穩(wěn)定性分析進(jìn)行了大量的研究工作。如張紹周等[4]基于壓力拱理論建立了礦柱-頂板破壞模型，分析了大紅山鐵礦空區(qū)礦柱的穩(wěn)定性，并優(yōu)化了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；王昱凱[5]等利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，通過(guò)巖石穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和類(lèi)比法分析，提出了對(duì)礦柱底部巷道的穩(wěn)定性對(duì)策措施；龐奇志等[6]根據(jù)礦柱回收開(kāi)采期間的安全監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果，指導(dǎo)了后續(xù)充填工作，有效控制了采場(chǎng)內(nèi)的地壓。然而，這些工作都是基于靜態(tài)計(jì)算展開(kāi)研究的，忽視了礦體回采礦柱形成這一過(guò)程的動(dòng)態(tài)開(kāi)挖效應(yīng)。Li等曾在文獻(xiàn)[7]指出，采場(chǎng)預(yù)留礦柱的穩(wěn)定性分析不能忽視爆破擾動(dòng)和卸荷擾動(dòng)等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響，在高地應(yīng)力條件下，這種作用更強(qiáng)，將嚴(yán)重影響采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[7]。目前，關(guān)于礦柱受動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的研究較少且不夠深入，礦體回采速率(也即礦柱形成時(shí)間)這一因素的影響也經(jīng)常不被考慮，基于此，本文開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。

本文將依托陳臺(tái)溝鐵礦地下開(kāi)采工程，基于三維有限差分計(jì)算平臺(tái)FLAC3D，建立礦體回采過(guò)程的數(shù)值計(jì)算模型，重點(diǎn)研究了不同回采速率對(duì)礦柱結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可為同類(lèi)工程提供簡(jiǎn)要的參考。

1 工程概況

陳臺(tái)溝鐵礦埋深均在-650 m以下，最大埋深達(dá)到1 900 m，屬深井開(kāi)采礦山。礦床共有5條礦體，設(shè)計(jì)礦體以Fe1為主，為減少早期投資、縮短基建時(shí)間，最大化礦山效益，計(jì)劃采用分期開(kāi)挖方案，一期開(kāi)采-1 020 m以上礦體根據(jù)其可行性研報(bào)告推薦，礦山主要采用大直徑的深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V的方法開(kāi)采，在高地應(yīng)力環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性管理困難。主要礦塊采用盤(pán)區(qū)布置，盤(pán)區(qū)沿礦體走向布置，長(zhǎng)度140 m，礦房平面尺寸為20 m×80 m，礦體厚度在50～80 m之間[8]。

綜上，陳臺(tái)溝礦體埋藏較深、地應(yīng)力水平較高，深部高地應(yīng)力條件下開(kāi)挖誘發(fā)的松弛變形、地應(yīng)力卸荷破壞(巖爆)等都將使采場(chǎng)礦房礦柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全管理等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 有限元計(jì)算模型的建立

根據(jù)陳臺(tái)溝采礦方法方案，參照礦山單盤(pán)區(qū)布置方法建立礦體回采的三維有限元計(jì)算模型，擬定礦房礦柱尺寸為20 m×80 m×50 m(寬×高×厚)，為了減弱單元與邊界的反射效應(yīng)，數(shù)值計(jì)算模型在礦房礦柱模型四周擴(kuò)大，左、右、上、下各延伸50 m，并于礦柱中心及頂部位置設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程中礦柱關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況，如圖1所示。單元總數(shù)576 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)594 711個(gè)。

圖1 有限元計(jì)算模型

為模擬真實(shí)賦存環(huán)境，模型底部采用全約束，側(cè)面采用法向約束。應(yīng)力邊界采用真實(shí)的三維應(yīng)力場(chǎng)，模型頂部施加21 MPa的地應(yīng)力，水平向最大主應(yīng)力25.2 MPa與軸線平行，最小主應(yīng)力為22.32 MPa。由于礦柱的破壞形式以剪切破壞為主，故數(shù)值模擬中常采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則來(lái)模擬巖體的屈服特性[5]。開(kāi)采盤(pán)區(qū)采用鐵礦石來(lái)模擬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其材料參數(shù)的取值可見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)取值

2.2 控制應(yīng)力釋放法

礦體崩落回采礦柱形成這一動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)質(zhì)也是挖出礦體不再支撐頂板圍巖的卸荷過(guò)程，模擬這一過(guò)程借助一種特別的模擬方法：控制應(yīng)力釋放法，就是求得開(kāi)挖前開(kāi)挖邊界處開(kāi)挖體對(duì)圍巖的支撐力(開(kāi)挖掉開(kāi)挖體單元后，相應(yīng)的支撐力隨即消失)重建這一支撐力，然后控制其按照不同的卸荷時(shí)間進(jìn)行釋放，從而達(dá)到分析的目的，這一方法在許多工程的模擬中得到應(yīng)用，并取得較好成效[9]。

利用FISH語(yǔ)言編制了應(yīng)力釋放程序，首先在靜力計(jì)算模式下賦予模型初始地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算平衡后位移速度清零，之后模擬礦體開(kāi)挖只計(jì)算第一步，提取開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn)ID號(hào)及不平衡力(三向節(jié)點(diǎn)力)，在動(dòng)力模塊下將其按照如圖2所示的卸載路徑施加在礦房邊界節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，同時(shí)監(jiān)測(cè)礦柱關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力變化等反映礦柱動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參量變化。

圖2 支撐力卸載路徑

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為了研究不同回采速率下礦柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算了礦體崩落出礦歷時(shí)td分別為10、20 ms和50 ms的情況，并歸納總結(jié)其各自對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化、礦柱最終變形以及塑性區(qū)破壞分布情況。

3.1 礦柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

圖3和圖4給出了不同回采速率下礦柱體關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況。在礦體回采礦柱形成后，受開(kāi)挖卸荷作用的影響，礦柱體內(nèi)部產(chǎn)生了變化的應(yīng)力場(chǎng)，不管是最大主應(yīng)力還是最小主應(yīng)力，都存在一個(gè)瞬態(tài)急劇變化，之后逐漸穩(wěn)定到平衡值。

圖3 礦柱最大主應(yīng)力變化

圖4 礦柱最小主應(yīng)力變化

進(jìn)一步由圖3(a)可知，對(duì)于礦柱核部位置，礦體的回采還會(huì)引起礦柱內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，其大小隨著回采所需時(shí)間的增大而減小，10 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力為2.34 MPa，20 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力為0.98 MPa，50 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力為0.76 MPa。由圖3(b)可知，對(duì)于礦柱頂部，礦體的回采還會(huì)引起礦柱頂部應(yīng)力值的激蕩變化，應(yīng)力大小變化幅度隨著崩落出礦所需時(shí)間的增大而減小，采用10、20 ms以及50 ms的回采時(shí)間下，礦柱頂部最大主應(yīng)力大小的變化情況分別對(duì)應(yīng)為6.54、5.37、3.05 MPa。

圖4反映了礦體回采礦柱形成過(guò)程中礦柱關(guān)鍵部位的最小主應(yīng)力變化情況。不難發(fā)現(xiàn)，相較于礦柱頂部位置，礦柱核部最小主應(yīng)力變化幅度更大，采用10、20 ms以及50 ms的回采時(shí)間下，其最小主應(yīng)力的變化大小分別為12.40、10.97 MPa和9.86 MPa。對(duì)于礦柱頂部，10、20 ms以及50 ms對(duì)應(yīng)的最小主應(yīng)力的變化大小分別為6.07、5.84 MPa和5.33 MPa。

3.2 礦柱變形情況

圖5和圖6給出了不同回采速率下礦柱體的水平和豎直變形情況。由圖5可知，在礦體回采礦柱形成后，礦柱體產(chǎn)生了一定程度的水平變形，最大水平變形發(fā)生在礦柱兩側(cè)邊墻的中心位置。隨著回采時(shí)間的變化，礦柱最大水平變形量沒(méi)有明顯的變化，10、20 ms以及50 ms對(duì)應(yīng)的最大水平變形大小分別為8.93、8.85 mm和8.56 mm。

圖5 礦柱水平變形

圖6反映了礦體回采礦柱形成后，礦柱體的豎向變形情況?？芍V柱體產(chǎn)生了自下而上逐漸增大的豎向變形，底部變形最小，頂部變形最大。三種崩落出礦所需時(shí)間對(duì)應(yīng)的礦柱最大豎向變形沒(méi)有明顯差異，其對(duì)應(yīng)的最大水平變形大小分別為38.77、38.73 mm和38.56 mm。

圖6 礦柱豎向變形

3.3 塑性區(qū)破壞分布

礦體回采礦柱形成的過(guò)程中，由于受到二次動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)變化的強(qiáng)烈作用，不可避免地會(huì)在礦柱體內(nèi)部出現(xiàn)一定程度的塑性破壞區(qū)域。由圖7可知，隨著崩落出礦時(shí)間的增大，礦柱內(nèi)部產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)范圍越來(lái)越小，10、20 ms以及50 ms對(duì)應(yīng)的礦柱塑性區(qū)面積大小分別為1 344、704、192 m2。

圖7 塑性區(qū)破壞分布對(duì)比

3.4 不同回采時(shí)間下的動(dòng)力擾動(dòng)作用影響

統(tǒng)計(jì)采用不同回采速率下的礦柱動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征值如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表2可知，當(dāng)回采速率越快(也即崩落出礦所需時(shí)間的越小)，礦柱中主應(yīng)力變化幅度，礦柱最終水平、豎直變形量以及因應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整作用所形成的的塑性破壞范圍均越大，說(shuō)明相同的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)的情況下，控制回采速率對(duì)于保護(hù)礦柱的穩(wěn)定性具有重要意義，在生產(chǎn)中應(yīng)在考慮炸藥參數(shù)、生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上盡可能延長(zhǎng)礦體回采所需時(shí)間。當(dāng)采用50 ms開(kāi)挖時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)程度已經(jīng)較小，礦柱穩(wěn)定性情況較好，在生產(chǎn)中可予以采用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依托于陳臺(tái)溝地下采礦工程，針對(duì)深埋礦山礦柱體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全這一問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法，研究分析了不同回采速率下礦柱體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)論總結(jié)如下。

1)隨著礦體崩落礦柱形成所需時(shí)間的增大，礦柱體受瞬態(tài)開(kāi)挖作用而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)程度有所減小，具體可表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)主應(yīng)力變化幅度、礦柱最大水平、豎向變形量以及塑性破壞區(qū)域的減小。在生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)盡可能延長(zhǎng)礦體崩落出礦所需時(shí)間。

2)根據(jù)數(shù)值模擬對(duì)10、20 ms以及50 ms三種不同崩落時(shí)間下的陳臺(tái)溝地下采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性的分析可知，50 ms情況對(duì)應(yīng)的礦柱穩(wěn)定性最好，建議在生產(chǎn)中可予以采用。