某石灰?guī)r礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究*

陳 敏，史秀志

(1.廣東省冶金建筑設(shè)計研究院， 廣東 廣州 510080；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

某石灰?guī)r礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬研究*

陳 敏1，史秀志2

(1.廣東省冶金建筑設(shè)計研究院， 廣東 廣州 510080；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

為提高石灰?guī)r地下礦山采礦效率和資源回收率，在某石灰?guī)r礦開展了中深孔房柱法試驗研究。采用三維數(shù)值計算軟件ANSYS和FLAC3D進行了中深孔房柱法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算，通過計算確定的最優(yōu)方案的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房寬度15 m，間柱寬度13 m，底柱厚度15 m。數(shù)值模擬計算結(jié)果與理論基本一致，表明數(shù)值模擬方案的設(shè)計、模型的建立和參數(shù)的選擇具有一定的合理性。

石灰?guī)r礦；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

目前，石灰?guī)r地下礦山主要采用留點柱或連續(xù)礦柱的淺孔房柱法開采。該類礦山普遍存在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，采場生產(chǎn)能力小，通風(fēng)安全條件差，資源回收率低等問題。本項目以廣東省某石灰?guī)r地下礦山為試點礦山，開展中深孔房柱法安全高效回采技術(shù)研究。中深孔房柱法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)一般參考類似礦山選取，因此礦柱及頂板的穩(wěn)定性是一個重要研究課題。本文采用三維數(shù)值計算軟件ANSYS和FLAC3D進行了中深孔房柱法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算，研究成果對石灰?guī)r地下礦山開采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

該礦區(qū)石灰?guī)r屬下二疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，主要巖性為灰黑色中厚層狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及白色大理巖。礦石結(jié)構(gòu)致密，礦層厚度較大，連續(xù)完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育。礦石單軸抗壓強度62.2～63.6 MPa，平均62.9 MPa。礦石巖質(zhì)完整新鮮，為堅硬巖石，工程性能良好。

礦山采用斜坡道開拓，汽車運輸。中深孔房柱法試驗采場礦房長60 m，寬15 m，高18 m。礦房分二層回采，上分層高8 m，下分層高10 m。首先在礦房頂部掘進一條切頂巷道，鑿巖設(shè)備采用Boomer281掘進臺車，巷道斷面5 m×6 m，作為人行、通風(fēng)、出渣的運輸巷道。其次，以切頂巷道作為爆破自由面，逐步擴幫形成寬12～15 m、高6～8 m的切頂空間，并根據(jù)頂板巖石的穩(wěn)固程度進行噴砼或噴錨支護。再次，采用Tamrock Ranger 600潛孔鉆機在切頂空間下鉆鑿8～10 m深的下向平行中深孔，選用2#巖石炸藥，人工連續(xù)柱狀裝藥，以切割槽為補償空間分段微差爆破。最后，崩下的礦石用PC-200挖掘機或ZL50C裝載機裝礦，10 t載重自卸式汽車經(jīng)斜坡道運出地表。中深孔房柱法采礦方法見圖1。

2 數(shù)值模型建立

本次數(shù)值計算采用ANSYS軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，采用FLAC3D軟件進行后處理計算。

2.1 基本假設(shè)及破壞準(zhǔn)則

為方便建模和數(shù)值模擬計算，本次研究做如下假設(shè)：

(1) 假設(shè)礦體和圍巖為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，不考慮裂隙、節(jié)理和斷層的影響；

(2) 忽略井巷工程對采場穩(wěn)定性的影響；

(3) 只考慮重力對模型的影響，不考慮爆破震動、地震波及地下水的影響 。

礦體主要為大理巖、灰?guī)r等巖性巖石組成，適用莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。

2.2 計算方案及數(shù)值模型

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要影響因素如采場跨度、間柱寬度、隔離礦柱厚度都有較大取值范圍，為使其有充分的代表性，采場跨度取12～18 m，間柱寬度取11～15 m，頂柱厚度取13～17 m，礦房高度為18 m，計算方案見表1。

圖1 中深孔房柱法采礦方法

表1 計算方案表

根據(jù)礦體的賦存條件、試驗采場的位置以及開挖的影響范圍，建立了三維計算模型。計算域沿走向長400 m(Z方向)，垂直走向長400 m(X方向)，鉛垂高度250 m(Y方向)。模型建立地表曲面，表土層取10 m。模型簡化處理，12個礦房的上分段為1～6號礦房，下分段為7～12號礦房。沿走向布置采場模型見圖2。

圖2 沿走向布置采場模型

2.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)及邊界條件

根據(jù)室內(nèi)實驗測定的巖石力學(xué)參數(shù)，采用工程化處理后的巖體強度參數(shù)作為數(shù)值模擬中所用的巖體強度。數(shù)值計算模型巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值計算模型巖體物理力學(xué)參數(shù)表

由于該礦未能進行原巖應(yīng)力的實測，故僅考慮重力場。模型下表面限制垂直方向位移，四個側(cè)面法向約束，上表面自由。

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值計算結(jié)果

通過數(shù)值模擬計算，方案1～3拉應(yīng)力最大值、主應(yīng)力最大值、剪應(yīng)力最大值及頂?shù)装逦灰朴嬎憬Y(jié)果見表3。

表3 方案1～3各采場應(yīng)力及位移值

注：(1)上表中壓應(yīng)力為“-” ，拉應(yīng)力為“+” ;(2)上表中位移“-”表示沿Z軸負方向，反之為正。

3.2 應(yīng)力對比分析

從拉應(yīng)力最大值等值云圖可知，3個方案的拉應(yīng)力最大值均小于巖體極限抗拉強度。通過比較開挖下分段拉應(yīng)力值可以看出，方案1的拉應(yīng)力最大值明顯小于其他2個方案，但方案1礦房跨度較小，增大了采切工程量，降低了資源回收率。由此可見，方案2、方案3為可選方案。

從主應(yīng)力最大值應(yīng)力等值云圖可知，3個方案的主應(yīng)力最大值均小于巖體極限抗壓強度。通過比較各方案拉應(yīng)力最大值可以看出，方案2主應(yīng)力最大值相比方案1、方案3小，采場安全性更好。從主應(yīng)力角度考慮，方案2為較優(yōu)方案。

從剪應(yīng)力最大值等值云圖可知，各方案最大剪應(yīng)力值均遠小于巖體的抗剪強度。開挖上分段時，方案2的剪應(yīng)力值最小，開挖下分段后，方案1的剪應(yīng)力值較小。從剪應(yīng)力角度考慮，方案1、方案2為可選方案。

3.3 位移對比分析

從各方案位移等值云圖可知，隨著采場跨度尺寸的增大，頂板下沉位移值呈遞增趨勢，底板上升位移值也呈遞增趨勢。當(dāng)采場跨度一定時，頂、底板位移值隨著礦柱尺寸的增加而呈線減小的趨勢，但不是很明顯，最大位移為5.527 mm，總體來看這些變形都在允許范圍之內(nèi)。因此，從頂?shù)装遄畲筘Q直位移對采場安全性影響而言，各方案的優(yōu)劣順序為：方案1、方案2、方案3。由于方案1采切比較大、資源回收率低，而方案3因采場跨度大，頂?shù)装逦灰埔泊?，安全性相?yīng)降低，綜合比較方案2為可選方案。

3.4 塑性區(qū)對比分析

根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)巖體進入塑性狀態(tài)后，巖體的強度大大降低，承載能力也隨著強度的降低而降低，塑性區(qū)體積的大小也是判斷其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

從模擬結(jié)果可以看出，方案1、方案3出現(xiàn)了面積極小的塑性區(qū)，但對采場安全造成的影響不大，各采場安全性良好。從保證礦柱的穩(wěn)定性，盡量避免出現(xiàn)塑性區(qū)角度考慮，方案2為可選方案。

綜合分析應(yīng)力、位移、塑性區(qū)、采切比及回采率等因素，方案2為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

(1) 本次數(shù)值模擬計算結(jié)果與已有研究理論基本一致，表明數(shù)值模擬設(shè)計的方案、建立的模型和選取的參數(shù)是合理的，計算結(jié)果科學(xué)合理、真實可信，對礦山生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

(2) 通過數(shù)值模擬計算，試驗采場的安全性都良好，在考慮應(yīng)力、位移、塑性區(qū)、回采率及采切工程量等因素的條件下，確定最優(yōu)方案的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房寬度15 m，間柱寬度13 m，底柱厚度15 m。

(3) 由于數(shù)值模擬計算的局限性而進行了必要的假設(shè)，雖然數(shù)值模擬結(jié)果從理論上講是安全的，但在實際生產(chǎn)中，仍需采取必要的安全管理措施，才能保障回采工作安全高效的進行。

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廣東省安全生產(chǎn)專項資金項目(2009D140).

2014-08-26)

陳 敏(1965-)，男，采礦高級工程師，主要從事礦山設(shè)計與研究工作,Email：htp3639@126.com。