基于ABAQUS數(shù)值模擬的下向進(jìn)路斷面優(yōu)選

摘要：下向進(jìn)路合理斷面的確定是下向進(jìn)路充填采礦法安全經(jīng)濟(jì)高效開采的關(guān)鍵。為得到下向進(jìn)路最優(yōu)斷面，文章以山東某金礦為工程背景，采用有限元軟件ABAQUS建立了下向進(jìn)路鋼筋網(wǎng)充填體混合模型，并對18種進(jìn)路斷面的塑性區(qū)、頂板最大沉降位移以及最大拉應(yīng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，巷道優(yōu)選斷面為3.0m（高度）×3.4m（寬度），工業(yè)試驗表明該方案實現(xiàn)了下向進(jìn)路法安全經(jīng)濟(jì)高效開采。

關(guān)鍵詞：ABAQUS；數(shù)值模擬；下向進(jìn)路；進(jìn)路斷面；塑性區(qū)；充填采礦法

中圖分類號：TD263 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0130-02

隨著無軌自行設(shè)備在地下金屬礦山的推廣應(yīng)用，下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法以其回收率高、貧化損失小、回采強(qiáng)度大等顯著優(yōu)勢，進(jìn)入現(xiàn)代化采礦技術(shù)之列，而下向進(jìn)路合理斷面的確定是下向進(jìn)路充填采礦法安全經(jīng)濟(jì)高效開采的關(guān)鍵。下向進(jìn)路斷面受鋼筋網(wǎng)性能、承載層厚度、進(jìn)路寬度、進(jìn)路高度、充填體泊松比、進(jìn)路側(cè)幫彈模和承載層彈模等多參數(shù)影響，顧偉、OHearn B等采用“薄板”和“簡支梁”模型對下向進(jìn)路斷面進(jìn)行了優(yōu)選，但該類方法對下向進(jìn)路作了大量簡化，其結(jié)果可靠性較差；周科平、馮仲仁分別對下向進(jìn)路進(jìn)行了相似模擬實驗和現(xiàn)場位移監(jiān)測，此類方法效果較好，但存在周期長、成本高的缺陷。

1 工程概況

1.1 工程背景

山東某金礦礦體走向NE30°～60°，傾向SE，傾角54°～86°，平均厚度8.87m，平均品位4.96g/t。礦體極破碎，礦巖穩(wěn)固性極差，為此礦山采用盤區(qū)下向多進(jìn)路回采方式、下盤脈外斜坡道+分段運(yùn)輸平巷采準(zhǔn)系統(tǒng)、無軌設(shè)備鑿巖出礦及C料尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，采礦工藝水平先進(jìn)，而與之相適應(yīng)的進(jìn)路斷面亟待確定。

1.2 材料力學(xué)參數(shù)

通過對該礦區(qū)礦巖取樣測試、充填體強(qiáng)度試驗及查

找鋼筋規(guī)范，得出該礦區(qū)礦巖、充填體和鋼筋力學(xué)參數(shù)。

2 ABAQUS數(shù)值模型及方案

2.1 數(shù)值模型

由現(xiàn)場生產(chǎn)知進(jìn)路長度遠(yuǎn)大于進(jìn)路寬度和高度，故模型可采用平面應(yīng)變有限元分析，回采時采用隔一采一的方法，同時開采2～3條進(jìn)路，典型的情況為每次掘進(jìn)時進(jìn)路的頂部、左側(cè)和右側(cè)為充填體，進(jìn)路底部為未開挖礦體，進(jìn)路頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)橫筋為主要受力構(gòu)件，按300mm間距布置，因此指定平面應(yīng)變厚度為0.3m，布置一根橫向鋼筋Φ12mm。

2.2 數(shù)值方案

本次模擬采用三個分步進(jìn)行：第一步，加載礦區(qū)地應(yīng)力（取埋深600m）；第二步，加載1∶10和1∶4充填體自重引起的均布荷載；第三步，開挖進(jìn)路，移除進(jìn)路所在位置的單元。按照該礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)水平，選取進(jìn)路寬度為2.6m、2.8m、3.0m、3.2m、3.4m和3.6m，進(jìn)路高度為2.8m、3.0m和3.2m的18種組合進(jìn)行研究。

3 結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)分析

由進(jìn)路塑性區(qū)變形可知進(jìn)路頂板塑性區(qū)主要發(fā)生在進(jìn)路左、右尖角處，這是由應(yīng)力集中造成的；進(jìn)路兩幫塑性區(qū)變形是由于進(jìn)路側(cè)幫充填體的彈性模量較小，與金屬網(wǎng)接觸部位受到較大壓力所致。進(jìn)一步分析，將各種方案的頂板及兩幫塑性區(qū)發(fā)展情況匯總?？芍敯寰闯霈F(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，因此只考慮兩幫塑性區(qū)貫通情況，以（高度，寬度）表示，可選工況有（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（2.8，3.6）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）、（3.2，3.4）、（3.2，3.6）。

3.2 最大沉降位移分析

進(jìn)路頂板最大沉降位移可知進(jìn)路高度為2.8m、3.0m時，頂板最大位移幾乎相同，而進(jìn)路高度為3.2m時，最大沉降高于二者；進(jìn)路寬度為2.8～3.4m時，進(jìn)路頂板最大位移變化較小，因此選擇進(jìn)路高度2.8～3.0m、寬度2.8～3.4m時的工況為合理值。

3.3 最大拉應(yīng)力分析

各工況下人工假頂內(nèi)充填體最大主拉應(yīng)力均小于0.1MPa，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，故只考慮鋼筋最大主拉應(yīng)力，鋼筋最大主拉應(yīng)力往往出現(xiàn)在開挖進(jìn)路的兩幫位置，進(jìn)路高度3.0m是鋼筋最大主拉應(yīng)力增強(qiáng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，目前鋼筋的受力遠(yuǎn)未達(dá)到其200MPa的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。綜上分析知工況（2.8，3.0）、（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）在力學(xué)上是合理的優(yōu)選方案?？紤]到礦山開采效率，宜采用斷面較大者，故最終選取3.0m（高度）×3.4m（寬度）作為優(yōu)選斷面?，F(xiàn)場工業(yè)試驗表明，該方案實現(xiàn)了下向進(jìn)路充填采礦法安全經(jīng)濟(jì)高效開采。

4 結(jié)語

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了下向進(jìn)路鋼筋網(wǎng)充填體混合模型，并對18種進(jìn)路斷面的塑性區(qū)、頂板最大沉降位移以及最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：（1）進(jìn)路頂板塑性區(qū)主要發(fā)生在進(jìn)路左、右尖角處，但未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，進(jìn)路兩幫塑性區(qū)變化較大，可能出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，威脅礦山安全；（2）進(jìn)路高度為2.8m與3.0m時，頂板最大位移幾乎相同，而進(jìn)路高度為3.2m時，最大沉降高于二者，進(jìn)路寬度為2.8～3.4m時，進(jìn)路頂板最大位移變化較小；（3）各工況下人工假頂內(nèi)充填體最大主拉應(yīng)力均小于0.1MPa，且鋼筋最大主拉應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度允許值200MPa，不會出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞；（4）綜合18種進(jìn)路斷面的塑性區(qū)、頂板最大沉降位移以及最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析，選取3.0m（高度）×3.4m（寬度）作為優(yōu)選斷面，實現(xiàn)了下向進(jìn)路充填采礦法安全經(jīng)濟(jì)高效開采。

參考文獻(xiàn)

[1] PENG Kang，LI Xi-bing，WAN Chuan-chuan，PENG Shu-quan.Research on safe mining technology of undersea metal Mine[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，（3）.

[2] 彭康，李夕兵.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，（8）.

[3] 彭康，李夕兵.海底下框架式分層充填法開采中礦巖穩(wěn)定性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，（11）.

[4] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying

[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.

[5] 李夕兵，劉志祥，彭康.金屬礦濱?；鶐r開采巖石力學(xué)理論與實踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（10）.

[6] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying

[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.

作者簡介：王志強(qiáng)（1972-），男，山西晉中人，晉中市煤炭工業(yè)局礦業(yè)工程師，研究方向：采礦技術(shù)管理。endprint