自然崩落法拉底過程底部結構穩(wěn)定性研究

范文錄,劉育明,葛啟發(fā),2

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

應用研究·有色礦山·

自然崩落法拉底過程底部結構穩(wěn)定性研究

范文錄1,劉育明1,葛啟發(fā)1,2

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

自然崩落法技術要求高，涉及的巖石力學問題也非常復雜，不同拉底方式拉底過程中，底部出礦結構所受應力狀態(tài)不同，穩(wěn)定性也不同。以普朗銅礦相關條件為依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法對自然崩落法開采拉底過程中底部結構的應力變化進行研究。分析研究表明：前進式拉底過程中，拉底推進線后方45m左右區(qū)域應力逐漸發(fā)生釋放，最大主應力減小到10MPa左右，底部結構整體穩(wěn)定性要好于后拉底，出礦水平最小主應力處于巖體抗拉強度范圍內(nèi)，且新增塑性區(qū)符合前進式拉底特點。因此，前進式拉底利于維護底部結構的穩(wěn)定性。

自然崩落法； 底部結構； 數(shù)值模擬； 前進式拉底； 出礦水平

1 前言

自然崩落法是一種低成本、高效率的采礦方法，是大型地下礦體特別是貧礦體資源大規(guī)模開采的首選方法。其實質(zhì)是用鑿巖爆破方法在礦體內(nèi)某個水平采出一層礦石，形成拉底崩落空間，致使上部礦體失去支撐，發(fā)生初始崩落，下部水平進行出礦，在應力與重力作用下上部礦巖持續(xù)崩落并不斷往上擴展，實現(xiàn)礦體自然崩落[1～3]。

由于自然崩落法技術復雜，國內(nèi)外對自然崩落法研究仍處于研究和探索階段，目前國內(nèi)采用自然崩落法在生產(chǎn)礦山只有銅礦峪礦。另外，云南普朗銅礦正處于建設階段，設計生產(chǎn)規(guī)模為1 250萬t/a，是我國目前設計的最大地下金屬礦山，設計采用前進式拉底方式進行拉底。自然崩落法成功與否的關鍵在于拉底的好壞，做好拉底工程是實現(xiàn)礦巖自然崩落的第一步，而拉底也與底部結構直接相關，不同的拉底方式對底部結構產(chǎn)生不同的應力，對底部結構造成的破壞就不同[4～8]。目前國際上通常采用三大拉底方式，包括后拉底、預拉底及前進式拉底[9～11]。由于國內(nèi)自然崩落法礦山應用不多，這導致對自然崩落法的理論研究也相對缺乏，尤其是對拉底過程中的應力變化規(guī)律、機理認識不透。為此，根據(jù)普朗銅礦巖體條件，采用有限差分程序FLAC3D對自然崩落法不同拉底方式下的底部結構穩(wěn)定性進行深入研究，為增進對自然崩落法的研究提供些許認識。

2 拉底方式

圖1為后拉底方式，即傳統(tǒng)拉底方式，在出礦巷道、出礦點、聚礦槽形成以后，再進行上面的拉底工作。這種拉底方式在早期的自然崩落法礦山大量使用[12]。圖2為前進式拉底，前進式拉底戰(zhàn)略特點是先拉底，后形成聚礦槽，從而出礦水平開拓則在應力釋放環(huán)境中進行，對維護底部結構穩(wěn)定性非常有利。

圖1 后拉底示意圖

圖2 前進式拉底示意圖

采用傳統(tǒng)后拉底方式容易導致底部出礦結構產(chǎn)生應力集中，底部結構難以維護。為此，普朗銅礦采用前進式拉底方式，以改善底部結構應力狀態(tài)。針對以上拉底方式特點，使用FLAC3D有限差分軟件對2種拉底方式拉底過程中應力變化進行研究。

3 模型建立與底部結構穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

(1)計算參數(shù)與計算準則。礦巖力學參數(shù)為中南大學現(xiàn)代分析測試中心提供《力學性能檢驗報告》中試驗結果，測試所得巖體力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學參數(shù)

根據(jù)普朗巖石力學基礎研究結果，礦區(qū)的地應力以水平構造應力為主導，最大主應力傾角較小，介于5.73°～29.41°，方位大致呈東西向，與礦區(qū)的南北向為主導的褶皺等地質(zhì)構造特征相符合，故模型中最大主應力按水平方向施加，方向與出礦穿脈方向一致，輸入?yún)?shù)見表2。

表2 地應力輸入?yún)?shù) MPa

計算采用破壞準則為摩爾—庫侖準則[12～13]，力學模型為：

(1)

式中：fs——摩爾—庫侖準則的函數(shù)關系。

(2)模型建立與開挖步驟。普朗銅礦一期首采中段為3 720m以上礦體，礦體最大崩落高度為接近400m，平均崩落高度200m，3 720m為出礦水平，底部結構出礦水平和拉底水平間距16m，拉底高度約10m；出礦穿脈間距30m，出礦進路采用“人”字形布置，間距為15m。

根據(jù)普朗底部結構參數(shù)，建立普朗銅礦數(shù)值模型，由于底部結構模型復雜，F(xiàn)LAC3D建模難度較大，因此在Ansys中建立好數(shù)值模型，再導入FLAC3D中進行計算。模型按走向長450m，垂直走向長300m，高度200m。模型高度20m對應礦山3 720m出礦水平，巷道、聚礦槽及拉底模型均按實際工程參數(shù)建立，如圖3所示為自然崩落法結構模型。

利用建立的普朗銅礦自然崩落法結構模型，根據(jù)后拉底和前進式拉底開挖順序特點，采用FLAC3D5.0軟件分別進行前進式拉底模擬。前進式拉底模擬開挖順序見表3。

圖3 整體模型與底部結構模型

表3 前進式拉底模擬開挖順序

3.2 計算結果與分析

(1)最大主應力變化分析。分析圖4所示計算結果，在拉底推進線約20m范圍內(nèi)區(qū)域(拉底下部巖體)處于應力集中狀態(tài)，最大主應力接近33MPa，而在拉底推進線后方40～50m區(qū)域聚礦槽周圍(拉底空區(qū)下部的巖體)附近應力已發(fā)生釋放，該區(qū)域所受最大主應力在3～15MPa，最大主應力減小，應力集中現(xiàn)象消失，而在應力釋放區(qū)域再形成聚礦槽時，底部結構處于較好的應力狀態(tài)，對維護底部結構穩(wěn)定性有利。

(2)前進式拉底最小主應力變化分析。在前進式拉底過程中，底部結構所受最小主應力隨著拉底逐步推進而增大，尤其是處于拉底空間中心區(qū)域底部結構所受最小主應力最大(最小主應力為正，即為拉應力)，桃形體所受最小主應力在0.4～0.9MPa，小于巖體抗拉強度，可知桃形體總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示(y=130m剖面)。

圖4 前進式拉底推進中最大主應力

圖5 底部結構最小主應力云圖

從最小主應力分析結果可知：前進式拉底過程中，底部結構桃形體以及出礦水平巷道所受拉應力基本在巖體抗拉強度范圍內(nèi)，對出礦水平交岔口采取合理的支護措施，底部結構整體處于可控且穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 底部巷道塑性區(qū)

(3)出礦水平新增塑性區(qū)變化分析。從圖6結果可看出：前進式拉底中，拉底前方巷道部分區(qū)域產(chǎn)生較少新增塑性區(qū)，在后期拉底過程中，靠近拉底推進方向區(qū)域附近有新增塑性區(qū)，而拉底方向后方已無新增塑性區(qū)，說明在拉底后方區(qū)域應力發(fā)生釋放，前進式拉底戰(zhàn)略對維護底部結構穩(wěn)定性是有利的。

4 結論

(1)前進式拉底最大主應力結果表明：前進式拉底在拉底推進線方向約20m范圍內(nèi)區(qū)域處于應力集中狀態(tài)，最大主應力接近30MPa，拉底推進線后方20～50m區(qū)域附近應力則發(fā)生釋放，最大主應力僅為3～20MPa。

(2)前進式拉底最小主應力結果表明：底部結構所受最小主應力基本處于巖體抗拉強度范圍內(nèi)，但同時需對出礦水平巷道交岔口加強支護，提高底部結構整體穩(wěn)定性。

(3)前進式拉底出礦水平新增塑性區(qū)結果表明：出礦水平巷道交岔口、聚礦槽和出礦進路交接處新增塑性區(qū)較多，這些區(qū)域應當加強支護；另外，拉底推進線附近及前方區(qū)域新增塑性區(qū)較多，后方新增塑性區(qū)變少。

數(shù)值模擬計算結果表明：普朗銅礦采用前進式拉底戰(zhàn)略有利于維護底部結構整體穩(wěn)定性，同時根據(jù)數(shù)值分析結果，對出礦水平巷道進行合理支護，可進一步提高礦山經(jīng)濟效益。

[1] Brown E.T. Block Caving Geomechanics[M].Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre:Brisbane.2003.

[2] Brady B H G.and Brown E T. Rock Mechanics for Underground mining[M].1st edn.Allen & Unwin:London.1985.

[3] Huber D, Vandapel N.Automatic three-dimensional underground mine mapping[J].International Journal of Robotics Research,2006,25(1):7-17.

[4] Diering T. PC-BC:a block cave design and control system[J].Proc.MassMin 2000, Brisbane(ed.G.Chitombo),2000,469-484.

[5] 柳小波,周 偉,孫豁然.崩落采礦模擬SLS系統(tǒng)及其在提高回收率中的應用[J].煤炭學報,2004，29(6):646-649.

[6] Hock E.Practical Rock Engineering[M].Rotterdam:A A Balkema Publishers,2000.

[7] LAUBSCHER D H.Cave mining:the state of the art[J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy,1994,94(10):279-293．

[8] 李向陽，李俊平，周創(chuàng)兵，等.采空場覆巖變形數(shù)值模擬與相似模擬比較研究[J].巖土力學，2005，26(12):1907-1912.

[9] 李連崇，唐春安.自然崩落法采礦礦巖崩落過程數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山,2011，(12):13-17.

[10] 王連慶,高 謙,王建國,等.自然崩落采礦法的顆粒流數(shù)值模擬[J].北京科技大學學報，2007,29(6):557-561.

[11] 姜增國,楊保倉.基于DDEM的自然崩落采礦法崩落規(guī)律的數(shù)值模擬[J].巖土力學,2005，26(2):239-242.

[12] Itasca Consulting Group Inc..User Manual of FLAC3D5.01[M].Minneapolis:Itasca Consulting Group Inc.,2013.

Study on bottom structure stability in the undercutting process of block caving

Block caving technology has high technique requirements and the rock mechanics problems are complex. In the undercutting process different undercutting way causes different stress state and stability of bottom structure. Taking the conditions relative to Pulang Copper Mine as the basis, numerical simulation method was used to study the stress variation of bottom structure in the undercutting process of block caving mining. The results showed that in the process of advance undercutting, the stress released in the area behind the undercutting forward line 45m, and the maximum principal stress reduced to 10MPa, and the overall stability of bottom structure was better than using later undercutting. The minimum principal stress on ore drawing level was basically in the range of rock mass tensile strength, and the new plastic zone was according with the advance undercutting features. In this case, advance undercutting strategy is good for maintaining the stability of bottom structure.

block caving; bottom structure; numerical simulation; advance undercutting; ore drawing level

TD853.36

A

范文錄(1988-)，男，江西豐城人，工程師，從事采礦工程設計工作。