大盤(pán)區(qū)高應(yīng)力下礦柱回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬

郭 偉 張傳信 趙繼銀

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

冬瓜山銅礦大團(tuán)山礦床是冬瓜山銅礦主要礦床之一，礦床－580 m以上采用大盤(pán)區(qū)開(kāi)采，取得較好的開(kāi)采效果。大盤(pán)區(qū)開(kāi)采具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn);但也存在采空區(qū)暴露面積大，采場(chǎng)空間跨度大等不利因素。因支撐空區(qū)，保證其他礦段安全生產(chǎn)的需要，盤(pán)區(qū)之間預(yù)留有30 m寬的礦柱，積存礦量近100萬(wàn)t。按回采一半計(jì)算，能回收大約50萬(wàn)t的資源量，直接經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到5 000萬(wàn)元。且礦石儲(chǔ)量具有很好的可靠度，現(xiàn)有的采礦系統(tǒng)也對(duì)礦柱的回采工作的展開(kāi)提供便利條件。因此，從資源的回收及工程的投入來(lái)看，在滿足安全性的前提下，對(duì)盤(pán)區(qū)礦柱進(jìn)行部分或全部回收帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

1 礦山概況

現(xiàn)大團(tuán)山礦體正在大規(guī)模回采－580 m中段。－580 m以上依次劃分5個(gè)盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)最大暴露面積達(dá)到10 000～11 000 m2，頂板最大斜長(zhǎng)跨度接近100 m。在該中段的采準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)采礦的需要留設(shè)有盤(pán)區(qū)間柱。Ⅲ盤(pán)區(qū)與Ⅳ盤(pán)區(qū)之間在31A勘探線的位置留設(shè)了約30 m的盤(pán)區(qū)間柱，即31A礦柱。Ⅳ盤(pán)區(qū)與Ⅴ盤(pán)區(qū)之間在35勘探線的位置留設(shè)了約30 m的盤(pán)區(qū)間柱，即35#礦柱(如圖1)。

圖1 －580 m中段平面圖

如圖2，目前35#礦柱－565 m以上可采礦量為40萬(wàn)t。5#盤(pán)區(qū)采后空區(qū)約為體積35萬(wàn)m3。礦柱主要組分為銅，礦石容重為3.35 t/m3，巖石容重為2.85 t/m3。礦床水文地質(zhì)條件為簡(jiǎn)單類型。礦體及其頂、底板各類巖石力學(xué)強(qiáng)度高，圍巖普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=9～13，屬半堅(jiān)硬巖石。巖體結(jié)構(gòu)完整。

圖2 35#礦柱縱投影

2 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

2.1 本構(gòu)模型及破壞準(zhǔn)則

本次研究采用FLAC3D軟件計(jì)算，該程序采用顯式差分法求解，相對(duì)于有限元法，能更好地模擬材料的塑性破壞和塑性流動(dòng)，更為準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)分步開(kāi)挖回采數(shù)值模擬的要求，并可自動(dòng)處理計(jì)算結(jié)果，提供用彩色圖形顯示的等值線表示的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。

本構(gòu)模型選用摩爾－庫(kù)倫巖土通用模型。該模型采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則。圖3即為FLAC3D摩爾－庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則表現(xiàn)形式。其抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為

抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

圖3 FLAC3D破壞準(zhǔn)則

2.2 初始力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用于巖體工程時(shí)，需考慮到巖石與巖體的差別，即進(jìn)行強(qiáng)度折減。一般認(rèn)為，巖石與巖體在抗剪強(qiáng)度方面的差異，主要表現(xiàn)在內(nèi)聚力(C)方面，而巖石的內(nèi)摩擦角與巖體的內(nèi)摩擦角差別較小。因此，本研究采用M.Georgi法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的內(nèi)聚力進(jìn)行處理。折減后力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 折減后礦巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得地應(yīng)力分布梯度:ε1=0.034 37MPa/m，ε2=0.010 85 MPa/m，ε3=0.003 37 MPa/m(注:分別為主應(yīng)力σ1，σ2，σ3三者的應(yīng)力分布梯度)。

3 數(shù)值模擬方案簡(jiǎn)介

數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計(jì)算模型是否與實(shí)際情況相符合，包括選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算范圍，確定計(jì)算模型的邊界條件，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理等等。在建立數(shù)值模型過(guò)程中，主要考慮了以下幾點(diǎn):

(1)考慮到各剖面形態(tài)較為復(fù)雜，故采用自下而上的三維實(shí)體建模，即點(diǎn)—線—面—體，層層搭建。這樣能很好地對(duì)不規(guī)則礦柱進(jìn)行匹配。礦柱三維實(shí)體模型詳見(jiàn)圖4。

圖4 礦柱模型

(2)三維實(shí)體模型選取礦體傾向方向?yàn)閄方向，礦體走向?yàn)閆方向，鉛直方向?yàn)閅方向。垂直剖面和水平面分別以勘探線和中段平面圖為基礎(chǔ)。模型Y方向底部由－670 m平面下推200 m，X、Z方向由礦柱最近端分別外推約200 m。模型實(shí)際尺寸為長(zhǎng)×寬×高=790 m×600 m×900 m，固定以上5個(gè)邊界的位移和速度。礦柱實(shí)體模型如圖2表示，整體模型如圖4所示。

(3)經(jīng)過(guò)前期的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，四面體網(wǎng)格精度不夠，計(jì)算結(jié)果明顯比六面體高，故選取六面體網(wǎng)格對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行劃分。具體有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

考慮到巖體最常見(jiàn)的破壞主要是由拉應(yīng)力帶來(lái)的張性斷裂破壞及剪切力所帶來(lái)的剪切破壞，故本次研究重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)方面:一是拉、剪應(yīng)力區(qū)的大小與分布范圍;二是判斷礦柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)是否貫通。模擬時(shí)，對(duì)于30 m寬的礦柱，分別以回采15、20、25、30 m為研究對(duì)象。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

應(yīng)力與位移分布分別見(jiàn)圖6～圖10。

圖6 模型初始應(yīng)力分布

圖7 拉應(yīng)力分布

圖8 剪應(yīng)力分布

圖9 壓應(yīng)力分布

圖10 位移分布

從圖6來(lái)看，初始應(yīng)力能較好地符合地應(yīng)力場(chǎng)。35#礦柱15 m回采后，礦柱內(nèi)部承擔(dān)的壓應(yīng)力普遍在20 MPa以上，最大值出現(xiàn)在預(yù)留垂直礦柱處，達(dá)到29.5 MPa。20 m回采后，礦柱內(nèi)部承擔(dān)的壓應(yīng)力普遍在15 MPa以上，最大壓應(yīng)力達(dá)到30.1 MPa，仍然出現(xiàn)在預(yù)留垂直礦柱中。圍巖中剪應(yīng)力集中區(qū)分布在空區(qū)腰部，最大值達(dá)到6.64 MPa。礦柱中剪應(yīng)力集中區(qū)分布較廣，最大剪應(yīng)力達(dá)到8.67 MPa，已經(jīng)超過(guò)了預(yù)設(shè)礦柱抗剪強(qiáng)度，會(huì)在礦柱外側(cè)產(chǎn)生部分屈服帶。但高剪應(yīng)力集中區(qū)大都集中在礦柱上端邊緣，且從礦柱內(nèi)部位移量來(lái)看，數(shù)值均不大，分布較為連續(xù)均勻，表明礦柱內(nèi)部并未有大范圍的塑性破壞產(chǎn)生。即礦柱外側(cè)部分的塑性破壞并沒(méi)有傳遞到礦柱內(nèi)部。

35#礦柱25 m開(kāi)采后，空區(qū)周圍圍巖應(yīng)力進(jìn)一步得到增長(zhǎng)，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.78 MPa，最大剪應(yīng)力達(dá)到7.12 MPa，剪應(yīng)力集中區(qū)仍然分布在空區(qū)腰部位置，頂?shù)装逦灰品謩e為6.35 cm和4.60 cm。從以上應(yīng)力位移的信息來(lái)看，空區(qū)大面積失穩(wěn)的可能性仍然較低。

相對(duì)于35#礦柱20 m回采后的應(yīng)力分布規(guī)律。本方案中，礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在10～15 MPa，相對(duì)于前面幾個(gè)方案，隨著開(kāi)采寬度的加大，留設(shè)礦柱的變窄，礦柱內(nèi)部所承擔(dān)的應(yīng)力變小。周圍圍巖所承擔(dān)的應(yīng)力進(jìn)一步提高，最大值出現(xiàn)在垂直礦柱處，達(dá)到35.4 MPa。除此之外，本方案中一個(gè)最大的變化是礦柱內(nèi)部位移量有了大幅度增長(zhǎng)，達(dá)到13.6 cm，是20 m回采方案礦柱內(nèi)部位移的2～3倍，說(shuō)明此時(shí)礦柱內(nèi)部核載區(qū)已經(jīng)進(jìn)入塑性屈服。根據(jù)巖石力學(xué)彈塑性理論，巖石進(jìn)入塑性區(qū)后強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，位移會(huì)大幅度增加，巖石將難以有效地承擔(dān)高負(fù)載。即對(duì)于系統(tǒng)而言，剩余礦柱僅能相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)化版的“膠結(jié)充填體”?？傮w來(lái)說(shuō)，頂?shù)装逦匆?jiàn)異常產(chǎn)生，周圍圍巖能很好地轉(zhuǎn)移并負(fù)擔(dān)應(yīng)力，表明系統(tǒng)仍能維持一定程度的穩(wěn)定，只要在回采過(guò)程中及時(shí)采取相關(guān)安全措施，保障回采工作的安全進(jìn)行，該方案在一定程度上可行。

35#礦柱30 m(全采)回采后，頂板最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.27 MPa，已經(jīng)相當(dāng)接近巖體極限抗拉強(qiáng)度，空區(qū)腰部的最大剪應(yīng)力達(dá)到7.31 MPa，已經(jīng)達(dá)到巖體極限抗剪強(qiáng)度，頂板層會(huì)受到較為嚴(yán)重的壓剪切破壞，局部地區(qū)會(huì)出現(xiàn)冒落，安全形勢(shì)已經(jīng)不容樂(lè)觀，故該方案難以滿足安全要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從礦柱回采前的初始應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，受力狀況較好，可以考慮對(duì)其進(jìn)行部分回收。

(2)預(yù)留垂直礦柱能很好地轉(zhuǎn)移并承擔(dān)應(yīng)力。隨著開(kāi)采幅度的增大，應(yīng)力轉(zhuǎn)移的幅度也逐步加大，15 m回采時(shí)，35#礦內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在20～30 MPa，20 m回采時(shí)，35#礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在15～20 MPa，25 m回采時(shí)35#礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力除邊緣部分地區(qū)外，普遍已在10 MPa以下。而35#礦柱預(yù)留的垂直礦柱所受壓應(yīng)力隨著開(kāi)采寬度的加大分別變?yōu)?9.5 MPa(15 m方案)，32.4 MPa(20 m方案)，35.4 MPa(25 m方案)。

(3)礦柱主要是受壓剪應(yīng)力為主，隨著礦柱回采的進(jìn)行，在礦柱4個(gè)幫角及腰部處均出現(xiàn)了剪切帶。各處剪切帶均隨著開(kāi)采區(qū)域的擴(kuò)大而擴(kuò)大，并逐漸向礦柱內(nèi)部發(fā)展，礦柱承載面積逐漸縮小，最終導(dǎo)致礦柱整體破壞直至失穩(wěn)。隨著礦柱的進(jìn)一步回采，空區(qū)跨度的加大，礦柱腰部拉(剪)應(yīng)力區(qū)逐漸加大，礦柱腰部開(kāi)始遭受壓張破壞，礦柱暴露面出現(xiàn)較大面積的拉應(yīng)力區(qū)，會(huì)帶來(lái)一定程度的片幫等危害。但對(duì)礦柱失穩(wěn)定最終起決定性作用的仍然是壓剪應(yīng)力。

(4)在回采過(guò)程能及時(shí)采取必要安全措施的情況下，35#礦20 m、25 m回采方案都是可行的，考慮到部分受力指標(biāo)偏大，具體回采寬度應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)巖石力學(xué)分析等多種手段來(lái)綜合確定。

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