某礦山采空區(qū)數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析*

何 偉 肖益蓋

(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；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

某礦山采空區(qū)數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析*

何 偉1,2,3肖益蓋1,2,3

(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；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

某礦山設(shè)計(jì)開(kāi)采中段高度50 m，經(jīng)過(guò)2 a多開(kāi)采，形成了一定的采空區(qū)。為驗(yàn)證該采空區(qū)的穩(wěn)定性，結(jié)合礦山地質(zhì)條件、礦巖特性和采礦工藝等，運(yùn)用3DSigma軟件，采用三維有限元法對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了應(yīng)力、應(yīng)變、安全率、塑性破壞域的變化情況。在此基礎(chǔ)上，采用解析法分別對(duì)圍巖自穩(wěn)能力、礦柱承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，認(rèn)為該采空區(qū)較穩(wěn)定，為確保礦山安全生產(chǎn)提供參考。

采空區(qū) 礦柱承載力 數(shù)值模擬 穩(wěn)定性

某礦山經(jīng)過(guò)2 a多開(kāi)采，目前井下僅開(kāi)采中西部礦體，垂直方向上僅開(kāi)采-255，-305 m等2個(gè)中段，高100 m；開(kāi)采形狀隨礦床形態(tài)的變化而變化，極其復(fù)雜，特別是-255 m中段西部礦體，夾石多且厚大；開(kāi)采地點(diǎn)涌水較大，水壓較大；初期開(kāi)采時(shí)間倉(cāng)促，在充填等配套工藝不具備條件時(shí)進(jìn)行回采，采空區(qū)無(wú)法及時(shí)充填或充填體的強(qiáng)度無(wú)法保障，礦柱片幫嚴(yán)重，為下一步回收礦柱留下了隱患。通過(guò)對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行三維有限元分析和數(shù)值模擬，為確保采空區(qū)穩(wěn)定提供依據(jù)。

1 數(shù)值分析原理

本研究采用3DSigma軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，顧及巖體變形的非線性及其塑性屈服對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的影響，經(jīng)三維彈塑性有限元分析，將彈塑性模型總的變形分為彈性變形、塑性變形2個(gè)部分[1]。用胡克定律計(jì)算彈性變形，對(duì)塑性變形采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[2-3]進(jìn)行推導(dǎo)：

式中，σ1為最大主應(yīng)力，kN；σ3為最小主應(yīng)力，kN；φ為材料內(nèi)摩擦角，(°)；c為材料的黏結(jié)力，kN。

當(dāng)fs<0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞；材料達(dá)到屈服極限后，在穩(wěn)定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過(guò)巖體的抗拉強(qiáng)度，巖體將發(fā)生拉伸破壞[1]。

2 數(shù)值模擬

2.1 約束條件及巖體力學(xué)參數(shù)

(1)材料約束。①礦巖體為連續(xù)、均質(zhì)的地質(zhì)體；②礦巖體為彈塑性材料。

(2)面約束。為限制剛體移動(dòng)，在模型的4個(gè)側(cè)面即Z、X軸方向設(shè)置零位移約束；在模型底部Y軸方向設(shè)置零位移約束，上表面均勻施加5.06 MPa的載荷，表示承受-255 m以上覆巖的重量[4]。

(3)地質(zhì)條件約束。①在剖分單元格及定義礦巖體時(shí)已考慮大的斷層、構(gòu)造和軟弱夾層，但在原巖應(yīng)力場(chǎng)中略去構(gòu)造應(yīng)力的影響；②不考慮地下水影響，僅取重力場(chǎng)作為原巖應(yīng)力場(chǎng)；③數(shù)值計(jì)算分析的準(zhǔn)確性在于選擇的巖礦體基本力學(xué)參數(shù)是否合理。

本研究數(shù)值分析的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 模型構(gòu)建

沿礦體走向在勘探線剖面圖基礎(chǔ)上生成三維立體模型所用的平面網(wǎng)格圖，中段高50 m，礦房、礦柱的寬度按大礦房、小礦柱設(shè)計(jì)。主要單元采用二維四邊形等參單元，局部單元經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化后可退化為三角形單元。求解時(shí)取節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，采用位移法自動(dòng)求解，構(gòu)建的模型見(jiàn)圖1。

圖1 中段高度50 m采場(chǎng)立體模型

2.3 礦房數(shù)值模擬分析

中段高度為50 m時(shí)，礦體開(kāi)挖后數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：中段高度越大，第一主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中，位于采空區(qū)水平頂板，壓應(yīng)力集中的峰值為12.794 MPa，普遍低于圍巖的抗壓強(qiáng)度，圍巖一般不會(huì)因受壓而破壞；第三主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，位于采空區(qū)下盤銳角處，拉應(yīng)力值峰值為47.637 MPa，普遍大于上盤圍巖的抗拉強(qiáng)度，該現(xiàn)象與采空區(qū)頂板暴露面積過(guò)大、采深過(guò)深密切相關(guān)。應(yīng)力集中的部位與采空區(qū)形狀、礦體傾角等有關(guān)。

圖2 礦體開(kāi)挖后應(yīng)力等值線(單位：MPa)

X、Y軸方向應(yīng)變數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：X軸向應(yīng)變集中于采空區(qū)頂部，最大為0.016，指向采空區(qū)；Y軸向位移都出現(xiàn)于采空區(qū)水平頂板(頂柱)部位，最大為0.102，達(dá)到冒落的極限值，結(jié)合拉應(yīng)力等值線圖可知，該處應(yīng)該出現(xiàn)因拉伸破壞而冒落的情形，實(shí)際工作中可適當(dāng)縮小采場(chǎng)跨度，減小頂板暴露面積，對(duì)控制水平位移具有一定的作用。

圖3 礦體開(kāi)挖后應(yīng)變等值線

礦體開(kāi)挖后安全率等值線見(jiàn)圖4，開(kāi)挖后破壞區(qū)域數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 礦體開(kāi)挖后安全率等值線

圖5 礦體開(kāi)挖后破壞域

由圖4可知：采空區(qū)上盤近礦圍巖及上盤上部50 m范圍內(nèi)，臨空圍巖的安全系數(shù)僅為1.1，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。整體上看，采空區(qū)所在區(qū)域不穩(wěn)定。

由圖5可知：50 m中段高度模型的破壞域出現(xiàn)于采空區(qū)上下盤及頂部，且塑性破壞域連通，破壞面積較大，說(shuō)明-255 m中段開(kāi)挖后，對(duì)-205 m 以上區(qū)域有一定的破壞作用。

3 礦柱及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)礦體賦存條件，采用分段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開(kāi)采。沿礦體走向劃分為若干礦塊，設(shè)計(jì)礦塊長(zhǎng)28 m，礦房和礦柱等寬，為14 m，礦塊寬度即為礦體厚度，高50 m。針對(duì)礦山地質(zhì)、礦巖特性、采礦工藝等具體條件，選用解析法分別對(duì)圍巖自穩(wěn)能力、礦柱承載力進(jìn)行分析。

(1)圍巖自穩(wěn)能力。在礦體回采過(guò)程中，礦柱和采場(chǎng)頂板均為礦石，回采結(jié)束后，頂板巖石主要為蝕變閃長(zhǎng)巖和矽卡巖，由于矽卡巖僅在局部地段存在，所以選擇蝕變閃長(zhǎng)巖作為評(píng)估巖體，并以蝕變閃長(zhǎng)巖的最低強(qiáng)度作為飽和單軸抗壓強(qiáng)度(109 MPa)，巖體完整程度為完整—較完整(Kv值為0.74)，則巖體質(zhì)量指標(biāo)(BQ)值為564,考慮有地下水的影響，折減后的BQ值為535。

圍巖體的基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅱ級(jí)，洞徑10～20 m，可穩(wěn)定數(shù)日到1個(gè)月。因此，對(duì)于開(kāi)采厚度不大的礦體，圍巖的自穩(wěn)性較好，要求做好安全放礦工作；但在與蝕變閃長(zhǎng)巖與矽卡巖的正接觸帶地段，回采過(guò)程中應(yīng)注意防范發(fā)生冒頂事故。

(2)礦柱承載力。在礦山下部礦段開(kāi)采礦柱承載力分析中，應(yīng)將上部礦巖及土的自重作為地壓考慮，經(jīng)計(jì)算，礦柱承載力安全系數(shù)為1.78，較安全。

4 結(jié) 論

(1)中段高度為50 m時(shí)，若礦房較寬，塑性破壞域的面積過(guò)大，采空區(qū)可能發(fā)生較大范圍的冒落和塌陷。因此，礦房寬度、采空區(qū)暴露面積不宜過(guò)大。

(2)采場(chǎng)穩(wěn)定性分析表明，巖體質(zhì)量、圍巖自穩(wěn)能力較好，一般情況下，礦柱承載力安全系數(shù)大于1(較安全)，但遇到斷層、破碎帶時(shí)應(yīng)留有足夠厚的保護(hù)礦柱。

[1] 王強(qiáng)志，高永濤，吳順川，等.基于綜合安全系數(shù)的強(qiáng)度折減法的改進(jìn)[J].金屬礦山，2015(7)：43-47.

[2] 楊家冕，劉人恩，王 星.數(shù)值模擬在分層充填法采場(chǎng)參數(shù)選擇中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(3)：29-31.

[3] 張?jiān)抡?，紀(jì)洪廣，侯昭飛.基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論的巖石沖擊危險(xiǎn)性判據(jù)[J].金屬礦山，2014(11)：138-142.

[4] 鐘 剛，韓方建.平水銅礦采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].金屬礦山，2004(3)：8-10.

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB14B01)。

2015-09-07)

何 偉(1983—),男，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。