礦震對垴窖鐵礦采空區(qū)的影響模擬分析

陳 平，歐陽治華，張青青

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

礦震對垴窖鐵礦采空區(qū)的影響模擬分析

陳 平，歐陽治華，張青青

(武漢科技大學， 湖北武漢 430081)

以湖北靈鄉(xiāng)垴窖鐵礦為例，利用大型通用三維有限元數(shù)值分析軟件ANSYS建立了該鐵礦的三維模型，利用ANSYS譜分析模塊模擬了礦震對采空區(qū)、頂?shù)装搴偷V柱等的影響，進行動力學分析，求解出最大、最小主應(yīng)力，應(yīng)變能、位移等，根據(jù)模擬結(jié)果判斷出礦震發(fā)生的可能性，并在此基礎(chǔ)上提出一些預(yù)防措施，對局部空區(qū)、圍巖和礦柱進行加固，避免礦震災(zāi)難。

礦震;ANSYS數(shù)值模擬;采空區(qū);三維數(shù)值模型

在金屬礦山采空區(qū)，由于堅硬覆巖大面積懸空，圍巖應(yīng)力集中程度增大，巖體積累的應(yīng)變能增高，應(yīng)力集中引發(fā)的礦震危害具有一定的普遍性。礦震發(fā)生時，由于大量應(yīng)變能的突然釋放，可能導致大范圍的巖體突然破壞和冒落，使整個礦井、巷道或采場報廢，造成人員傷亡和設(shè)備破壞。所以對礦震的誘發(fā)條件以及礦震對采空區(qū)、巷道和礦柱等的破壞進行數(shù)值模擬就有著重大的現(xiàn)實意義。本文利用ANSYS軟件對礦震作用下的采空區(qū)、巷道和礦柱進行了礦震響應(yīng)三維數(shù)值模擬。

1 礦山開采現(xiàn)狀

湖北大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)垴窖鐵礦位于大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)由淺至深賦存I號、II號、III號礦體，上部I號礦體由原武鋼靈鄉(xiāng)鐵礦露天開采。至今，垴窖鐵礦對礦區(qū)內(nèi)II號、III號礦體已全面開采20 a，開采水平為+66～－77 m。II號礦體位于露天坑南幫正下方，露天坑坑底為+68 m。在開采II號礦體上部中段時，由于采空區(qū)的形成，并已有采空區(qū)與露天坑溝通，支撐礦柱難以承受露天坑南幫100余m高的巖體壓力，采空區(qū)頂板下沉，致使露天邊幫變形、松動，時有小規(guī)模的垮塌發(fā)生。隨著下部采空區(qū)采用有底部結(jié)構(gòu)的崩落法回收殘礦，通過放礦漏斗出礦，上部各中段采空區(qū)基本上垂直相通。2008年7月20日，露天邊幫松散體突然垮向采空區(qū)各中段，出現(xiàn)1次較大規(guī)模的地壓活動。

垴窖鐵礦現(xiàn)有的采空區(qū)包括+56 m以上空區(qū)、+30，+10，－15，－25，－40，－55( －53)，－74( －77)m采空區(qū)。

2 ANSYS有限元模擬分析

礦區(qū)地應(yīng)力場計算物理模型主要考慮了花崗巖、崩落體材料、礦體材料。計算中所用的力學參數(shù)見表1。

表1 垴窖鐵礦礦巖力學參數(shù)

2.1 ANSYS三維數(shù)值模擬

利用ANSYS三維數(shù)值模擬能很好的計算出各個采空區(qū)的最大、最小主應(yīng)力，安全系數(shù)以及應(yīng)變能。與實驗得到的礦巖強度指標進行對比，則得出各個采空區(qū)的穩(wěn)定性，從而為礦山地下開采提供良好的技術(shù)支持，確保采場的整體穩(wěn)定性和生產(chǎn)的安全，有效地避免采礦過程中大面積垮冒所帶來的災(zāi)害性事故發(fā)生。

根據(jù)垴窖鐵礦各個水平分層平面圖進行數(shù)字化處理，最終建立的三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 垴窖鐵礦三維數(shù)值模型

2.2 ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果分析

安全系數(shù)應(yīng)用Mohr－Coulomb理論，該理論利用了最大和最小主應(yīng)力與抗拉和抗壓強度之間的關(guān)系，標準如下:

其中，σt和σc為最終(或屈服)的拉伸和壓縮強度，當F＜1時，巖體不穩(wěn)定;反之，F(xiàn)＞1則說明巖體穩(wěn)定。

圖2、圖3和圖4是進行地震譜分析之前的模型靜力學分析，由其最大、最小主應(yīng)力和安全系數(shù)的計算結(jié)果中可以看出，除了極個別的地方由于受到應(yīng)力集中效應(yīng)的影響產(chǎn)生比較大的拉應(yīng)力之外，絕大部分的拉應(yīng)力基本上是在60 MPa之內(nèi)，礦柱和圍巖所承受的應(yīng)力均在其承受范圍之內(nèi)。由于模型在靜力學分析的時候，沒有考慮到地下水因素的影響，因此礦柱和圍巖所能承受的應(yīng)力會比試驗中測定的數(shù)據(jù)偏小。根據(jù)結(jié)果，在－53 m水平，礦柱所產(chǎn)生的壓應(yīng)力值偏大，達到了35 MPa，局部區(qū)域由于應(yīng)力集中達到了55 MPa，在－74 m礦柱受到的壓應(yīng)力最大值在45 MPa左右。

圖2 －53～－74 m水平最大主應(yīng)力

圖3 －53～－74 m水平最小主應(yīng)力

圖4 －53～－74 m水平安全系數(shù)

2008年7月20日，由于有一次較大的地壓活動，－40 m以上的采空區(qū)都被圍巖充填，圍巖內(nèi)高應(yīng)力基本上釋放完畢。根據(jù)ANSYS計算結(jié)果可知，目前－40 m以上水平基本上是穩(wěn)定的。但是在－53 m和－74 m水平，由于采空區(qū)暴露面積比較大，局部甚至形成上下采通，所以極易形成應(yīng)力集中，根據(jù)ANSYS靜力計算結(jié)果可知，由于應(yīng)力集中局部礦柱和頂?shù)装逅a(chǎn)生的最大拉應(yīng)力已經(jīng)基本接近或達到其礦體和圍巖的抗拉抗壓強度。此外，計算結(jié)果還顯示斜井附近圍巖以及采空區(qū)的頂?shù)装鍑鷰r存在著一定的拉應(yīng)力，這可能會導致局部圍巖片幫，或因圍巖的非均質(zhì)性(局部裂隙發(fā)育等因素)出現(xiàn)局部冒頂現(xiàn)象，可能會影響到開拓系統(tǒng)和采場整體的穩(wěn)定性。

圖5是在進行礦震譜分析之后得出的－53～－74 m水平安全系數(shù)圖，從圖中可知，礦柱的安全系數(shù)基本是在0.5以上，頂?shù)装宓陌踩禂?shù)基本上在1以下。所以在有頂?shù)装寰植棵奥涞臅r候，對該局部區(qū)域所產(chǎn)生的破壞作用是巨大的。從圖5來看，礦柱應(yīng)首先由于巨大的沖擊波而破壞，從而導致上覆圍巖的進一步的跨冒，產(chǎn)生更大的礦柱事故。

圖5 譜分析之后－53～－74 m水平安全系數(shù)

根據(jù)ANSYS靜力計算結(jié)果，基本上得出了垴窖鐵礦在－53 m和－74 m水平可能發(fā)生冒落、巖爆甚至礦震事故的局部區(qū)域，在這些重點區(qū)域必須進行圍巖加固和安全監(jiān)測。為了控制井下事故的發(fā)生，可以采取一些手段來監(jiān)測礦柱和圍巖是否發(fā)生破壞，如采用巖體聲發(fā)射技術(shù)。

3 結(jié)論

(1)利用ANSYS軟件中的動態(tài)分析模塊，建立了垴窖鐵礦的三維模型，并根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)設(shè)置了圍巖以及礦石的各種物理參數(shù)、邊界條件、載荷。再此基礎(chǔ)上計算出垴窖鐵礦的最大、最小主應(yīng)力、應(yīng)變能、位移等，同時對加入地震譜前后做對比分析，模擬出礦震的破壞影響。

(2)根據(jù)模擬出來的結(jié)果，研究礦震發(fā)生時對采空區(qū)、頂?shù)装搴偷V柱等的破壞作用，提前做出預(yù)防措施，對圍巖以及礦柱等進行加固處理，此外，還可以在重點區(qū)域進行巖體聲發(fā)射監(jiān)測等措施。

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2010－12－27)

陳 平(1986－)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事礦山數(shù)值模擬研究，Email:anhuichenping@163.com。