采場(chǎng)跨度優(yōu)化數(shù)值模擬研究

葉樹學(xué)，陶 磊，胡京濤

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

采場(chǎng)跨度優(yōu)化數(shù)值模擬研究

葉樹學(xué)，陶 磊，胡京濤

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

采場(chǎng)跨度是影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。為確定采場(chǎng)回采的最優(yōu)跨度，以礦山實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，借助FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，分別對(duì)采場(chǎng)跨度為6，8，10 m和12 m 4種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并從最大主應(yīng)力、垂直方向沉降及塑性區(qū)3方面對(duì)不同跨度情況進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定采場(chǎng)回采最優(yōu)跨度為8 m。

采礦跨度；數(shù)值模擬；采場(chǎng)沉降

1 礦山概況

某鋁土礦山某采場(chǎng)下分段位于北區(qū)1150分段和1160分段之間，采場(chǎng)標(biāo)高確定巖體埋藏深度為220 m，礦體沿走向長(zhǎng)50 m，沿傾向?yàn)?0 m，礦體平均真厚度為4.43 m，傾角8°左右。礦塊呈似層狀單斜產(chǎn)出，總體傾向北西，傾向?yàn)?30°～340°。采場(chǎng)周邊地質(zhì)構(gòu)造整體比較簡(jiǎn)單，南部為F32斷層，北部為F19斷層的紅花寨礦塊。采場(chǎng)屬沉積型鋁土礦床，含礦巖系為下石炭統(tǒng)大塘組(C1d)。含礦巖系厚度具明顯二分性，上段為含鋁巖系，下段為含鐵巖系。上段含鋁巖系(C1d2)由粘土巖、黃鐵礦、鋁土巖、鋁土礦等組成，為鋁土礦礦體的產(chǎn)出層位，具工業(yè)價(jià)值的鋁土礦礦體產(chǎn)于含鋁巖系中。

為準(zhǔn)確獲得鋁土礦床的物理力學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)在礦體、上下盤圍巖等具有代表性的位置及非爆破開挖方式產(chǎn)生的大塊上進(jìn)行取樣，以減少爆破損傷對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列巖石力學(xué)物理力學(xué)試驗(yàn)，確定礦床相關(guān)巖體的巖石物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 試驗(yàn)所得巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 FLAC3D數(shù)值模擬方法

在采礦、水利和地下工程中，經(jīng)常會(huì)遇到巖石力學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題包括確定工程開挖前后的應(yīng)力和位移及其在開挖過(guò)程中力學(xué)參數(shù)的變化，以便為設(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)。已有的巖石力學(xué)理論解只能解決圓形或橢圓形硐室等簡(jiǎn)單工程形狀的問(wèn)題，對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的硐室或采場(chǎng)只能用數(shù)值方法來(lái)近似求解。

FLAC3D數(shù)值模擬軟件是一款連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，它的基本分析原理是源于流體力學(xué)的拉格朗日差分法。包含11種材料本構(gòu)摸型、5種計(jì)算模式和多種單元形式及邊界條件，可以模擬巖土體的多種施工工況，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

(1) 采用混合離散法，所有的應(yīng)力、應(yīng)變等變量均在網(wǎng)格劃分后的四面體上進(jìn)行，而六面體單元上的變量可通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算得到，采用此法來(lái)模擬土體材料的塑性破壞和塑性流動(dòng)；

(2) 采用有限差分法，無(wú)論是非線性本構(gòu)關(guān)系還是線性本構(gòu)關(guān)系，其實(shí)質(zhì)上并無(wú)差別，只需根據(jù)已知的應(yīng)變?cè)隽烤涂梢院芊奖愕厍蟪鰬?yīng)力增量和不平衡力，無(wú)需形成剛度矩陣，也無(wú)需推導(dǎo)大變形本構(gòu)模型；

(3) 在求解過(guò)程中通過(guò)增加阻尼力來(lái)使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)衰減至平衡狀態(tài)，采用此法在處理不穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)不會(huì)遇到數(shù)值上的障礙。采用FLAC3D軟件對(duì)巖體進(jìn)行摸擬的計(jì)算流程見圖1。

3 采場(chǎng)跨度數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 最大主應(yīng)力分析

4種不同跨度的采場(chǎng)剖面最大主應(yīng)力分布云圖見圖2。通過(guò)對(duì)比分析，可得如下結(jié)論：

圖1 FLAC3D計(jì)算流程

圖2 各方案最大主應(yīng)力分布云圖

(1) 采場(chǎng)的開挖會(huì)引起周圍區(qū)域的應(yīng)力重分布，采場(chǎng)的頂板和相鄰礦房位置呈現(xiàn)出一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 當(dāng)跨度為6 m、8 m時(shí)，頂板最大主應(yīng)力值分別為0.088 MPa、0.125 MPa，二者均處于拉應(yīng)力狀態(tài)，且應(yīng)力集中范圍較小，說(shuō)明采場(chǎng)處于穩(wěn)固狀態(tài)；當(dāng)跨度增加到10 m時(shí)，最大主應(yīng)力值為0.405 MPa，呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，處于護(hù)頂?shù)V壁極限抗拉強(qiáng)度值附近，但直接頂板部分巖體破碎不穩(wěn)固，在該拉應(yīng)力作用下可能發(fā)生破壞，因此頂板圍巖存在一定程度的失穩(wěn)危險(xiǎn)；當(dāng)跨度增加到12 m時(shí)，最大主應(yīng)力值為0.9 MPa，呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，且其值遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明采場(chǎng)頂板處一定發(fā)生剪切破壞或拉伸破壞。

(3) 隨著采場(chǎng)跨度的增加，相鄰礦房部分處于較大壓應(yīng)力范圍內(nèi)，但該值沒(méi)有超過(guò)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，不足以造成采場(chǎng)圍巖的屈服破壞。

3.2 垂直方向沉降分析與比較

4種不同跨度的采場(chǎng)剖面垂直方向位移分布云圖見圖3。通過(guò)對(duì)比分析，可得如下結(jié)論：

圖3 各方案垂直方向位移云圖

(1) 采場(chǎng)開挖之后，頂?shù)装宥汲霈F(xiàn)不同程度的位移變化，其中頂板主要呈現(xiàn)出下沉現(xiàn)象，而底板則呈現(xiàn)出底鼓現(xiàn)象。

(2) 當(dāng)跨度為6，8，10，12 m時(shí)，頂板沉降量最大值分別為0.98 cm、1.14 mm、1.3 cm、1.47 cm，其值較為接近，因此可以認(rèn)為在單純開挖一個(gè)礦房時(shí)，跨度的增加對(duì)頂板的沉降量沒(méi)有太大的影響；從垂直沉降的影響范圍來(lái)看，跨度從10 m增加到12 m后，影響范圍有了很大的變化，因此可以認(rèn)為12 m的跨度將引起大范圍的沉降，對(duì)礦體開采不利。

(3) 因?yàn)樵摰V埋深較淺，地應(yīng)力較小，底板的底鼓現(xiàn)象并不嚴(yán)重，在實(shí)際工作中該影響可忽略不計(jì)。

3.3 塑性區(qū)分析與比較

4種不同跨度采場(chǎng)的剖面塑性區(qū)分布云圖見圖4。通過(guò)對(duì)比分析，可得如下結(jié)論：

圖4 各方案塑性區(qū)分布云圖

(1) 采場(chǎng)開挖后，采場(chǎng)頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)不同程度的塑性區(qū)，但隨著開挖跨度的增加，兩幫塑性區(qū)范圍幾乎沒(méi)有改變，而采場(chǎng)頂板的塑性區(qū)范圍則有所擴(kuò)大，說(shuō)明隨著采場(chǎng)跨度的增加，頂板容易發(fā)生剪切破壞，需要加強(qiáng)頂板的支護(hù)工作。

(2) 當(dāng)采場(chǎng)跨度為6 m、8 m時(shí)，護(hù)頂?shù)V壁和直接頂板塑性區(qū)表現(xiàn)為shear-p、tension-p，即為彈性，小范圍區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)剪切破壞區(qū)域(shear-n)，因此可以認(rèn)為該范圍內(nèi)巖體在荷載作用下仍處于彈性變形階段，但開挖區(qū)域周邊圍巖經(jīng)歷過(guò)應(yīng)力峰值，說(shuō)明頂板仍處在較為穩(wěn)固的狀態(tài)，局部破碎區(qū)域需要加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)采場(chǎng)跨度為10 m、12 m時(shí)，護(hù)頂?shù)V壁和直接頂板出現(xiàn)剪切破壞的區(qū)域(shear-n)，且直接頂板與間接頂板的接觸面上出現(xiàn)復(fù)合破壞區(qū)域(shear-n、tension-n)，此時(shí)采場(chǎng)已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

FLAC3D軟件針對(duì)采場(chǎng)跨度分別為6，8，10 m和12 m 4種情況，分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從最大主應(yīng)力方面考慮，當(dāng)跨度增加到10 m時(shí)，礦壁圍巖存在一定程度的失穩(wěn)危險(xiǎn)；從垂直方向沉降方面考慮，當(dāng)跨度增加到12 m時(shí)，將引起大范圍沉降；從塑性區(qū)分布方面考慮，當(dāng)跨度增加至10 m時(shí)，圍巖出現(xiàn)大范圍剪切破壞及部分復(fù)合破壞，采場(chǎng)易失穩(wěn)；綜合可得，采場(chǎng)極限跨度為8～10 m區(qū)間內(nèi)，為保障一定的安全邊際，確定采場(chǎng)跨度的最優(yōu)值為8 m。

[1]李啟月,劉 愷,李夕兵.基于協(xié)同回采的深部厚大礦體分段充填采礦法[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2016(11):1515-1521.

[2]牛 勇,李克鋼.房柱采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化理論研究及應(yīng)用[J].黃金科學(xué)技術(shù),2015(06):75-80.

[3]許振華,喬 蘭.深井硬巖礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)礦業(yè),2014(03):84-87.

[4]劉 冬,金長(zhǎng)宇,夏自鋒,等.焦家金礦破碎礦體采場(chǎng)進(jìn)路的跨度優(yōu)化研究[J].金屬礦山,2014(02):18-21.

[5]董金奎,馮夏庭,張希巍,等.地下采場(chǎng)破碎巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與參數(shù)優(yōu)化[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(09):1322-1326.

[6]黃英華,焦文宇,唐紹輝,等.充填體下隔離中段采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(04):11-17.

[7]石 飛.采場(chǎng)跨度優(yōu)化有限元模擬研究[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2012(05):6-9.

[8]申 延.寺莊礦區(qū)工程巖體穩(wěn)定性及采場(chǎng)合理跨度研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2012.

[9]彭 康,李夕兵,彭述權(quán),等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(08):2417-2422.

[10]劉洋樹,李安平,王 剛,等.VCR法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的相似模型實(shí)驗(yàn)[J].有色礦冶,2011(02):10-15.

[11]葉海旺,常 劍,周 磊.基于FLAC(3D)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山,2010(12):6-8,26.

[12]李夕兵,劉志祥,彭 康,等.金屬礦濱?；鶐r開采巖石力學(xué)理論與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(10):1945-1953.

[13]劉培正,張傳信,胡永泉,等.厚大礦體分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].金屬礦山,2009(11):10-13,123.

[14]薛美英.超大跨度采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(09):14-18.

[15]張海波,李示波,張 揚(yáng),等.金屬礦山嗣后充填采場(chǎng)頂板合理跨度參數(shù)研究及建議[J].金屬礦山,2014(06):21-24.

[16]翟會(huì)超,閆滿志.壁式削壁充填法采場(chǎng)頂板臨界跨度計(jì)算[J].巖土力學(xué),2013(S1):337-339.

[17]姚高輝,吳愛(ài)祥,王洪江.白牛廠礦節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)與采場(chǎng)安全跨度評(píng)價(jià)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010,30(04):59-62.

2017-03-29)