隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區(qū)數(shù)值分析

米繼武，李永輝

(1.河北崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河北崇禮縣 076350；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012)

隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區(qū)數(shù)值分析

米繼武1，李永輝2

(1.河北崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司， 河北崇禮縣 076350；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012)

數(shù)值模擬研究對象為崇禮紫金70號脈1304～1224m 3中段厚大礦體部分，通過模擬礦柱回采及空區(qū)處理過程中采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力分布規(guī)律和位移變化情況，對采空區(qū)及礦柱的穩(wěn)定性分析評價，以尋求適宜、安全、高效率的礦柱回采順序及空區(qū)處理方案。

空場采礦法；應(yīng)力分布；位移；空區(qū)處理；數(shù)值模擬

1 計(jì)算域的選取及計(jì)算模型的離散化

計(jì)算域的大小對數(shù)值模擬有重要影響，計(jì)算域要取得適中，既保證計(jì)算工作的順利進(jìn)行，又要保證計(jì)算結(jié)果具有一定的精度。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論可知，在有限元的計(jì)算中，可以把3～5倍開挖的區(qū)域作為計(jì)算域。為了滿足計(jì)算需要和保證計(jì)算精度，本次計(jì)算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的3倍。

70號脈1304～1224m3中段礦體傾角25°，真厚度35m，中段高度40m。沿礦體走向劃分為10m寬的一步驟采場和20m寬的二步驟采場，采場長為礦體厚度35m。礦區(qū)地勢西低東高，西部地表標(biāo)高1470m，東部地表標(biāo)高1570m，中部有一26.6°的坡面，各中段代表其實(shí)際的賦存標(biāo)高。

根據(jù)礦區(qū)的地形地勢及礦體賦存位置的實(shí)際情況，本著模型上的覆巖層厚度與實(shí)際采場深度相當(dāng)?shù)脑瓌t建立模型，其長×寬×高尺寸為1938m×1120m×472m(左端)/572m(右端)，即沿傾向長度取1938m(X方向)，沿礦體走向取1120m(Z方向)，沿鉛垂方向取572m(Y方向)。模型示意見圖1。

圖1 計(jì)算模型

根據(jù)數(shù)值模擬離散化原則對計(jì)算模型進(jìn)行了單元劃分，“隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區(qū)”方案模型劃分單元8022個，節(jié)點(diǎn)34996個?！俺绊樞蚧夭傻V柱連續(xù)放頂處理空區(qū)”方案模型劃分單元8090個，節(jié)點(diǎn)34538個。

2 初始地應(yīng)力及邊界約束條件

研究范圍內(nèi)采場距離地表均在400m以下，假定模型初始地應(yīng)力基于完全由重力引起的，因此，垂直應(yīng)力與到地表的距離成比例，水平2個方向的應(yīng)力，即側(cè)壓由泊松比μ算出，側(cè)壓系數(shù)F計(jì)算公式如下:

根據(jù)已有的巖石力學(xué)數(shù)據(jù):上盤圍巖泊松比為0.26、下盤圍巖泊松比0.3、礦體泊松比0.22、充填體泊松比0.33，經(jīng)上式計(jì)算得出礦體及上、下盤圍巖的側(cè)壓系數(shù)分別為0.282，0.351和0.429。

由于采動的影響范圍是有限的，可將模型邊界處的位移視為零。計(jì)算原巖應(yīng)力時邊界采取位移約束:在YOZ相對兩個側(cè)面上節(jié)點(diǎn)在x方向約束，即滑動鉸支座；XOY相對兩個側(cè)面上節(jié)點(diǎn)在z方向約束，即滑動鉸支座；Y＝998底面上，進(jìn)行X、Y、Z方向約束，即固定鉸支座；Y＝1570平面為自由面，不進(jìn)行任何約束。

在模型中輸入相關(guān)參數(shù)后得出礦巖體初始應(yīng)力值，其中1304m中段的σy＝4.36 MPa，鉛垂方向；σx＝1.229 MPa，與礦體傾向一致；σz＝1.229 MPa，與礦體走向一致。1304m中段距離地表166m，σy值與按照公式γH＝(1470－1320)×0.026＋(1320－1304)×0.0263＝4.32(MPa)計(jì)算的垂直地應(yīng)力值4.36 MPa接近，σx和σz與下式算出的兩個水平應(yīng)力值1.247 MPa接近。模擬與假設(shè)相吻合，初始應(yīng)力場符合現(xiàn)場實(shí)際情況。

3 數(shù)值模擬的計(jì)算方案

為研究不同礦柱回采及空區(qū)處理順序?qū)諈^(qū)周圍巖體穩(wěn)定性的影響，并定量地反映回采過程中礦巖的應(yīng)力變化規(guī)律、破壞等情況，針對兩空區(qū)處理及礦柱回采方案進(jìn)行分步驟計(jì)算模擬，其模擬步驟如下:

(1)原巖應(yīng)力的計(jì)算；

(2)回采三個中段所有10m礦房；

(3)回采1304m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

(4)1304m中段已回采采場放頂15m；

(5)1304m中段已回采采場再放頂15m；

(6)回采1264m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

PPP模式下，社會資本作為專業(yè)的投資人進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，政府則作為公共服務(wù)的提供者和監(jiān)督者為社會資本提供政策和法律支持，雖然政府也可以出資或以資產(chǎn)作價入股，但理論上不超過50%，實(shí)際中通常不超過30%，避免了政府直接舉債，轉(zhuǎn)移了政府的融資風(fēng)險[1]。

(7)1264m中段已回采采場放頂15m；

(8)1264m中段已回采采場再放頂15m；

(9)回采1224m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

(10)1224m中段已回采采場放頂15m；

(11)1224m中段已回采采場再放頂15m；

(12)1264m中段已回采采場放頂15m。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

為便于分析，將各中段從西至東20m礦柱采場依次編號為1＃～7＃，見圖2。

圖2 各中段20m礦柱采場分布示意

各中段7＃礦柱埋藏深度要比其余礦柱大，回采及采空區(qū)處理后其應(yīng)力分布將作為分析比較的重點(diǎn)，中部區(qū)域5＃采空區(qū)應(yīng)力分布也十分重要，因此，選取5＃和7＃礦柱采空區(qū)對其上盤圍巖及頂?shù)装鍛?yīng)力分析。間隔回采礦柱后，4＃和6＃礦柱將產(chǎn)生巖體應(yīng)力集中，礦柱穩(wěn)定性分析中則將選取4＃和6＃礦柱進(jìn)行分析比較，詳見圖3～圖6。

圖3 1304～1224m中段采空區(qū)頂板各模擬步驟最大主應(yīng)力對比

通過對該方案各模擬步驟采空區(qū)頂?shù)装?、上盤圍巖體及礦柱主應(yīng)力分布圖的分析比較，得出如下結(jié)果。

(1)受中段采場埋深影響，同一中段各采空區(qū)頂?shù)装?、上盤圍巖體及礦柱的初始應(yīng)力隨埋深而不同，其主應(yīng)力值隨回采與空區(qū)處理過程而呈規(guī)律性變化。

(2)回采3中段10m礦房后，其端部兩采空區(qū)上盤圍巖體處分別形成30m寬的應(yīng)力集中帶，其中1224m中段7＃礦房采空區(qū)上盤圍巖體主應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力值為－9.774 MPa。

(3)從上盤圍巖體主應(yīng)力對比圖可知，回采過程空區(qū)上盤圍巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)隨回采工作的向下推進(jìn)而逐漸增大。間隔回采3中段礦柱前，其采空區(qū)上盤圍巖體受雙向壓應(yīng)力作用，5＃與7＃采空區(qū)上盤圍巖體的主應(yīng)力值相差不大。從間隔回采到模擬過程結(jié)束，相應(yīng)采空區(qū)上盤圍巖體周邊區(qū)域受雙向壓應(yīng)力，5＃采空區(qū)最大壓應(yīng)力值高于7＃采空區(qū)；中部局部區(qū)域?yàn)殡p向拉應(yīng)力區(qū)，7＃采空區(qū)最大拉應(yīng)力值高于5＃采空區(qū)。可知，11步驟模擬后5＃采空區(qū)上盤圍巖體進(jìn)一步拉破壞的可能性較7＃采空區(qū)小，其剪切破壞較7?？諈^(qū)大。

圖4 1304～1224m中段采空區(qū)上盤圍巖體模擬步驟最大主應(yīng)力對比

圖5 1304－1224m中段采空區(qū)底板各模擬步驟最大主應(yīng)力對比

圖6 1304～1224m中段礦柱各模擬步驟最大主應(yīng)力對比

(4)從底板巖體主應(yīng)力對比圖得知，間隔回采三中段礦柱前，其采空區(qū)底板主要受雙向壓應(yīng)力作用，5＃與7?？諈^(qū)底板的主應(yīng)力值相差不大。從間隔回采到模擬過程結(jié)束，相應(yīng)中段底板中部受單向拉應(yīng)力作用，其最大拉應(yīng)力5＃采空區(qū)要低于7＃采空區(qū)；相應(yīng)中段底板中部靠近上盤圍巖處受雙向壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力集中顯著，最大壓應(yīng)力5＃采空區(qū)要高于7＃采空區(qū)?？梢姡?1步驟模擬后5＃采空區(qū)底板拉破壞的可能性較7＃采空區(qū)大，其剪切破壞可能性較7?？諈^(qū)小。

(5)從礦柱主應(yīng)力對比圖得知，間隔回采礦柱的過程使得2＃、4＃和6＃礦柱與采空區(qū)上盤圍巖體的夾角部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)隨兩步驟放頂而減小。間隔回采到其放頂過程結(jié)束，4＃、6＃礦柱中部偏上盤局部區(qū)域受單向拉應(yīng)力作用，其值均有所減小；其余部位受雙向壓應(yīng)力作用，最小壓應(yīng)力值有所增加，最大壓力應(yīng)值逐漸減小?？梢姡彭攲档?＃、4＃和6＃礦柱中部的最大拉應(yīng)力和其余部位的最大壓應(yīng)力值有一定的作用。

4.2 位移分布狀態(tài)的分析

在采空區(qū)頂?shù)装寮吧媳P圍巖的位移狀態(tài)中，如果垂直位移過大，將直接導(dǎo)致采空區(qū)頂板冒落，嚴(yán)重時會引起地表沉陷，因此垂直位移比水平位移重要，其位移分析中取Y位移值；礦柱的位移狀態(tài)中，過大的水平位移將直接導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)，而且垂直方向Y位移也十分重要，因此2＃、4＃和6＃礦柱位移分析中取Z位移和Y位移值，具體位移值如表1和表2所示。

表1 各模擬步驟采空區(qū)頂?shù)装寮吧媳P圍巖體最大位移變化情況

通過對表1和表2進(jìn)行歸納總結(jié)，分析結(jié)果如下。

(1)采空區(qū)周圍巖體的位移影響范圍約為采空區(qū)跨度的一倍左右，在此范圍以外其位移和變形值均較小。

(2)間隔回采10m礦柱后，不同中段的不同采空區(qū)周圍巖體位移值有所不同，最大值一般發(fā)生在低中段中部采空區(qū)。1224m中段2?！?＃采空區(qū)上盤圍巖體中部和頂板中部靠近上盤沉降位移分別為10mm和6mm，1264m中段3?！?＃空區(qū)底板中部靠近下盤處上升位移為10mm。

(3)從頂板沉降位移變化情況可以看出，圍巖充填體對頂板沉降位移有緩沖作用，致使放頂后的一段時間內(nèi)頂板位移增加緩慢。但隨著回采工作向下推進(jìn)，回采中段的相應(yīng)采空區(qū)頂板沉降位移值逐漸增大。

(4)從底板位移變化情況可知，各中段空區(qū)底板均出現(xiàn)了不同程度上向位移，其位移值隨回采工作向下推進(jìn)而增加，隨放頂工作而略有減小，整體呈增長趨勢。空區(qū)底板在變形上表現(xiàn)為底鼓現(xiàn)象。在整個模擬過程中1304～1224m 3中段各空區(qū)底板上升位移變化分別為18～25mm、20～27mm和25～27mm。

(5)從礦柱位移變化情況可知，礦柱垂直位移值Y隨回采工作向下推進(jìn)而增加，從11mm增加到17mm；水平位移值Z表示礦柱邊壁向采空區(qū)的移動值，從4mm增加到7mm。放頂在一定程度上減緩了礦柱的垂直位移和水平位移值。

表2 各模擬步驟礦柱最大位移變化情況

?周崇仁，黃存紹，曾 耀.礦柱回采與空區(qū)處理[M].北京:冶

[1]金工業(yè)出版社，1989

[2]長沙礦山研究院，河北省崇禮縣紫金礦業(yè).東坪金礦厚大礦體采礦方法及70號脈整體回采方案設(shè)計(jì)[R].長沙:長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2000.

[3]李清望，任鳳玉.礦山采空區(qū)的冒落規(guī)律研究及其監(jiān)控措施[J].有色礦山，2001，30(2)?

[4]牛建華，王茂森.洛陽鉬礦采空區(qū)的穩(wěn)定性仿真分析與研究[D].長春:吉林大學(xué)，2007.

2015-03-20)

米繼武(1970－)，男，河北沽源縣人，工程師，從事礦山開采工作，Email:244930872＠qq.com。