獅子山銅礦采切工程穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

孫西能++楊建明

摘要： 隨著礦山深部開采的到來，巷道硐室處于高地應(yīng)力狀態(tài)，在其自身重力及構(gòu)造應(yīng)力的作用下建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)本身位移會發(fā)生一定的變化。本文基于ANSYS數(shù)值模擬軟件，對獅子山銅礦深部采切工程中的運輸巷道、拉底、鑿巖硐室及鑿巖巷道進(jìn)行針對性數(shù)值模擬，分析模擬研究對象的總位移云圖、應(yīng)力場云圖及等效彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變，對巷道的圍巖穩(wěn)定性作出評價，對采礦設(shè)計及現(xiàn)場開采具有指導(dǎo)意義。

Abstract： Along with the deep mining of the mine， the tunnel chamber is in the high ground stress state， and the displacement of the structure itself will change under the action of its own gravity and tectonic stress. Based on the ANSYS numerical simulation software， the numerical simulation of transportation tunnel， pull-bottom， rock-drilled chamber and rock drift in the deep mining project of Shizishan Copper Mine is carried out. The total displacement cloud， stress cloud and equivalent elastic strain， plastic strain of the study object are analyzed and simulated. The surrounding rock stability of the roadway is evaluated， which has guidance significance for the mining design and on-site mining.

關(guān)鍵詞： 采切工程；位移云圖；應(yīng)變；數(shù)值模擬

Key words： mining and cutting engineering；displacement cloud image；strain；numerical simulation

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0148-03

0 引言

在地下礦藏深部開采過程中，巷道處于高地應(yīng)力狀態(tài)，其自身重力及構(gòu)造擾動對巷道穩(wěn)定性影響較大。礦山地下井巷工程及建構(gòu)筑物的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。礦山地下井巷工程所處的環(huán)境條件及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與地面工程是截然不同的，然而在過去的很長時間內(nèi)解決地下工程遇到的問題選用的方法都是借鑒地面工程問題的解決方法，所以地下工程中出現(xiàn)的各種力學(xué)現(xiàn)象和過程在很長時間內(nèi)無法得到正確闡明，使地下工程長期處于“經(jīng)驗設(shè)計”和“經(jīng)驗施工”的局面。這種局面與迅速發(fā)展的地下工程顯示極不相稱，促使人們努力尋找新的理論和方法來解決地下工程遇到的各種問題。陳浩等分別采用物理模型試驗和數(shù)值模擬手段，對圍巖體破壞演化過程和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，從而為指導(dǎo)隧道的設(shè)計和施工提供了有效的依據(jù)[1]。任奮華等為了及時掌握深部巷道圍巖的穩(wěn)定性，在-555 m 水平巷道布置3個斷面收斂計、2個多點位移計、4個鉆孔應(yīng)力計，分別對巷道的表面位移、深部位移、圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測。通過采集和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確地對巷道的圍巖穩(wěn)定性做出評價，為礦山的安全高效生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)[2]。錢立，王文杰基于FLAC3D程序建立了高峰礦深部巷道模型，并對巷道施加爆破地震波進(jìn)行動力分析計算[3]。蔣耀東對開灤礦區(qū)2 個開采深度均超過1000 m的趙各莊礦和唐山礦巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律調(diào)研的基礎(chǔ)上，對煤礦深部開采過程中巷道圍巖變形、破壞特征和沖擊地壓動力顯現(xiàn)特征進(jìn)行了總結(jié)，同時通過計算分析了地應(yīng)力狀態(tài)對巷道圍巖破壞的影響關(guān)系[4]。喬東華用有限元數(shù)值模擬法對礦體開采后的巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析計算出采場圍巖穩(wěn)定性程度、地應(yīng)力集中地段或部位、圍巖位移過大部位及塑性破壞區(qū)的分布規(guī)律，從而對可能發(fā)生的災(zāi)害可靠、準(zhǔn)確地分析、控制。并提出相應(yīng)的預(yù)防措施及建議[5]。趙興東針對謙比希礦留設(shè)隔離礦柱實際情況，運用極限跨度理論，經(jīng)驗公式法和極限平衡分析方法對設(shè)計留設(shè)的隔離礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出留設(shè)隔離礦柱的合理厚度為 21m，并應(yīng)用FLAC3D對留設(shè) 21m 厚隔離礦柱的合理性進(jìn)行分析[6]。曹勝根應(yīng)用UDEC程序分析了綜放開采端面頂板穩(wěn)定性與支架工作阻力及端面距的關(guān)系，得到當(dāng)端面距在一定范圍之內(nèi)時，端面頂板冒落情況與支架工作阻力及支護(hù)角度密切相關(guān)，支架工作阻力P和端面頂板下沉量■ld呈類雙曲線關(guān)系[7]。本文利用ANSYS-dyna建立礦井深部采切工程運輸巷道、拉底巷道、鑿巖硐室等模型，并對研究對象進(jìn)行總位移云圖、彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變等動力分析，分析計算結(jié)果，觀測巷道的穩(wěn)定性情況。

1 工程背景

獅子山銅礦位于易門銅礦區(qū)，元古宙康滇地軸邊緣昆陽裂谷內(nèi)的武定—易門—元江裂陷槽中段近南北走向的易門斷陷盆地西側(cè)。礦區(qū)北起祿豐，南到峨臘廠，西起綠汁江，東至易門，南北長70千米，東西寬30千米，面積達(dá)2100平方千米。礦區(qū)以北緊鄰祿武斷陷盆地，以南與元江斷陷盆地相鄰，以東為昆明凹陷帶，沉積了從震旦紀(jì)、古生代到中生代一整套地層，綠汁江斷層以西為元謀—新平古陸，基底為大紅山群地層，上部被中生代紅層所覆蓋。礦區(qū)范圍內(nèi)，昆陽群地層出露占90%以上，僅局部為中生代紅層所覆蓋。

2 獅子山礦圍巖穩(wěn)定分析模型的構(gòu)建

2.1 計算模型的建立

為了消除邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)選用合適的巷道計算范圍，通常按巷道直徑的3-5倍選取邊界長度。本次巷道選取一個20m×20m×20m的正方題區(qū)域，開挖部位位于模型的正中央。分別計算運輸巷道、拉底巷道、鑿巖巷道，鑿巖硐室。

2.2 技術(shù)難點的實現(xiàn)

2.2.1 初始地應(yīng)力的實現(xiàn)

初始地應(yīng)力模擬在模擬井巷施工中的作用舉足輕重。在ANSYS中，可以有以下方法實現(xiàn)初始地應(yīng)力摸擬：采用讀取初始應(yīng)力文件的方法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，ANSYS中可以使用讀入初始應(yīng)力文件來把初始應(yīng)力定義為一種荷載。所以在實測初始地應(yīng)力資料完善的情況下，可把初始地應(yīng)力寫成初始應(yīng)力荷載文件，然后作為荷載條件讀入ANSYS，隨后就可以直接進(jìn)行第一步的開挖計算。計算得到的應(yīng)力場和位移場就是開挖后的實際應(yīng)力場和位移場，不需要進(jìn)行加減。此種方法的使用能夠確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.2 開挖與連續(xù)施工的實現(xiàn)

根據(jù)單元生死可以實現(xiàn)材料的消除與添加，而井巷的開挖與支護(hù)正好比材料的消除與支護(hù)，因此可以在ANSYS中用單元生死來實現(xiàn)井巷開挖與支護(hù)的模擬。井巷開挖時，先直接選擇被開挖掉的單元，然后將這些單元殺死，從而實現(xiàn)井巷的開挖模擬。此外，單元的生死狀態(tài)還可以根據(jù)ANSYS的計算結(jié)果（如應(yīng)力或應(yīng)變）來決定。例如，在模擬過程中，可以將超過允許應(yīng)力或允許應(yīng)變的單元殺死，模擬圍巖或結(jié)構(gòu)的破壞。利用ANSYS程序中荷載步功能可以實現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計算，從而實現(xiàn)對井巷連續(xù)施工的模擬。首先建立開挖井巷的有限元模型，包括將來要被殺死（挖掉）和激活（支護(hù)）的部分，在ANSYS模擬工程不需要重新劃分網(wǎng)格。在前一個施工完成后，便可以直接進(jìn)行下一道工序的施工，即再殺死單元（開挖）和激活單元（支護(hù)），再求解，重復(fù)步驟直至施工結(jié)束。

2.3 邊界條件和計算參數(shù)

在自重應(yīng)力條件下，對邊界條件作如下規(guī)定：對底邊約束垂直方向位移，對前后、左右兩側(cè)邊界施加水平方向約束，在模型的三個對稱軸方向施加水平和垂直地應(yīng)力。本次計算開挖部位的計算參數(shù)參照獅子山提供的礦山地應(yīng)力和礦體巖性測試結(jié)果。詳見表1和表2。

3 模擬計算過程

初始應(yīng)力場和開挖按下列步驟進(jìn)行：

①未開挖時的初始計算模型建立完畢后，施加邊界條件，計算初始應(yīng)力場{？滓}°和初始位移場j5i0abt0b°。

②開挖計算在外載不改變的情況下，令本次開挖單元休眠，然后進(jìn)行計算，模擬開挖后的效果，通過本次計算，得到本次開挖的計算結(jié)果{？滓}1，j5i0abt0b1，即第一次開挖支護(hù)后圍巖的應(yīng)力場和位移場。{？滓}1和j5i0abt0b1表示開挖過程中的應(yīng)力和變形結(jié)果，在實際應(yīng)用中，常認(rèn)為初始位移場為零位移場，即經(jīng)常關(guān)心的是在原始狀態(tài)下的擾動位移j5i0abt0b=j5i0abt0b1-{？滓}°。

③繪制相應(yīng)的應(yīng)力和變形圖，并分析計算結(jié)果。以數(shù)值模擬研究對象中的運輸巷最大地應(yīng)力為例，圖1至4分別給出了運輸巷最大地應(yīng)力垂直于運輸巷走向方向的總位移圖，等效應(yīng)力圖，等效彈性應(yīng)變圖，等效塑性應(yīng)變圖。圖5至8分別給出了運輸巷最大地應(yīng)力平行于運輸巷走向方向的總位移圖，等效應(yīng)力圖，等效彈性應(yīng)變圖，等效塑性應(yīng)變圖。

4 計算結(jié)果匯總

通過數(shù)值計算建模分析計算主要采切工程在開挖前后的受力、位移和塑性變形等狀態(tài)，獲得獅子山礦運輸巷、拉底、鑿巖巷及鑿巖硐室在現(xiàn)有高地應(yīng)力條件下，開挖后圍巖部位位移量、等效應(yīng)力分布、等效彈性應(yīng)和等效應(yīng)變量，結(jié)果統(tǒng)計詳見表3。

5 結(jié)語

通過對獅子山礦高地應(yīng)力條件下采場不同部位結(jié)構(gòu)參數(shù)的ANSYS數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

①采用三維有限元對獅子山礦高地應(yīng)力條件下采場不同部位進(jìn)行多方案計算分析，能反映模擬結(jié)果的真實情況，所得的結(jié)論對采礦設(shè)計及現(xiàn)場開采具有指導(dǎo)意義；

②通過有限元對不同部位（運輸巷、拉底、鑿巖巷和鑿巖硐室）的綜合分析，從位移變化、應(yīng)力分布和塑性變形區(qū)域等方面都說明：

1）現(xiàn)場高地應(yīng)力情況下，當(dāng)巷道與最大水平應(yīng)力垂直時，出現(xiàn)塑性變形區(qū)域，主要集中在巷道壁上下左右中間及拐角應(yīng)力集中區(qū)域，非礦體部位塑性變形最大值1.895e-3，礦體部位最大值0.96×10-3，塑性變形量較小，變形區(qū)域在合理范圍。

當(dāng)巷道與最大水平應(yīng)力平行時，未出現(xiàn)塑性變形區(qū)，因此進(jìn)行開采方案設(shè)計時盡量避開巷道與最大水平應(yīng)力垂直，多采用巷道與最大水平應(yīng)力平行。

2）位移最大變形量同樣與巷道跟最大水平主應(yīng)力分布有關(guān)，且隨著斷面尺寸增加程遞增趨勢，最大達(dá)19.51mm。

③隨著開采深度的增加，地應(yīng)力有可能增加，分布情況發(fā)生變化，建議根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，如發(fā)生局部小范圍塌方甚至巖爆情況，需對局部進(jìn)行詳細(xì)分析，然后再對開采方案進(jìn)行調(diào)整。

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