勐糯鉛鋅礦采動圍巖形變規(guī)律與頂板控制數(shù)值模擬研究

趙興昌 凌育麗

摘要：勐糯鉛鋅礦隨著地表資源的日益枯竭，深部開采及復(fù)雜礦體的開采成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的重要因素。并且受上部礦石回采形成空區(qū)，破壞原來的平衡應(yīng)力場。提出勐糯鉛鋅礦采動圍巖形變規(guī)律與頂板控制數(shù)值模擬研究，對深部回采具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：圍巖；穩(wěn)定性；應(yīng)力

引言

在金屬礦山地下開采中，隨著淺地表資源的日益枯竭，深部開采及復(fù)雜礦體的開采成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在礦體采出后巖體內(nèi)部形成空區(qū)，破壞原來的平衡應(yīng)力場。因此，不平衡的應(yīng)力必然進(jìn)行傳遞和調(diào)整，其傳遞和調(diào)整的結(jié)果，可能導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場的再次處于平衡狀態(tài)（這正是我們所期望的狀態(tài)）；另一種可能，由于采動的影響，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低和松動導(dǎo)致圍巖大范圍破壞，整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。礦體回采后，由于空區(qū)的形成，將會破壞原來平衡狀態(tài)。在采空區(qū)周圍應(yīng)力得到釋放，下盤緊鄰采空區(qū)的邊界，應(yīng)力降低。上盤主要為拉應(yīng)力，上盤圍巖的破壞主要受拉應(yīng)力所致，采空區(qū)頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中。

1 中段開采后圍巖移動規(guī)律

1.1 位移場分析

隨著600中段向300中段持續(xù)開采，采空區(qū)圍巖的最大位移值逐漸增大，最大位移點位于緊鄰采空區(qū)中心的上下盤圍巖中，上盤垂直圍移分布似雞蛋形，呈拱形分布向上逐漸減小。礦體底板和緊鄰底板的采空區(qū)下盤受應(yīng)力集中的影響，產(chǎn)生一定范圍向上位移，最大位移等值線沿著遠(yuǎn)離采空區(qū)的方向呈遞減趨勢。采空區(qū)圍巖的水平移動值小于垂直移動值。采空區(qū)周圍巖體的移動均指向采空區(qū)。隨著500中段向深部開采，在采空區(qū)上下盤圍巖中一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了大免壓拱。

1.2 間柱及頂?shù)字€(wěn)定性分析

由圖2-2間柱及頂?shù)字嬎憬Y(jié)果圖，分析可知：隨著600中段開采至300中段，最大位移出現(xiàn)在300中段頂柱部位，最大位移值為3.22cm。從應(yīng)力分布模擬結(jié)果看，開采后最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在開挖體與間柱、頂?shù)字佑|部位，最大壓應(yīng)力為25 。在間柱與頂?shù)字B接部位，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.5 。

從塑性區(qū)分布結(jié)果來看，隨著600中段向深部300中段開采的過程中，上部中段的塑性區(qū)開始逐漸往深部轉(zhuǎn)移，在僅留頂?shù)字伴g柱的情況下，下部中段頂?shù)字伴g柱塑性破壞范圍較大，因此，在實際生產(chǎn)過程中，最好在采場中根據(jù)頂板圍巖情況，留不規(guī)則點柱，或者采用木垛支護(hù)。

（1）最大位移云圖 （2）塑性區(qū)分布圖

（3）最大主應(yīng)力云圖 （4）最小主應(yīng)力云圖

2 留點柱控頂方案采場穩(wěn)定性分析

勐興鉛鋅礦在實際開采過程中僅在采場之間留間柱和各中段間留頂?shù)字?，為了提高模擬精度，在建立模型時考慮了從600中段到300中段，共7個中段作為研究對象，在實際計算時，將網(wǎng)格劃分的較密，有利于提高模擬精度，并提出三個方案進(jìn)行模擬。

方案一：采場內(nèi)留2mx2m點柱，點柱與點柱之間礦塊跨度為6m；

方案二：采場內(nèi)留2mx2m點柱，點柱與點柱之間礦塊跨度為8m；

方案三：采場內(nèi)留2mx2m點柱，點柱與點柱之間礦塊跨度為10m。

2.1 應(yīng)力分布模擬結(jié)果分析

從應(yīng)力分布模擬結(jié)果（圖3-1）看，三種方案開采后頂板最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂?shù)字㈤g柱與頂板接觸部位，三種方案開采后，頂板最大壓應(yīng)力分別為35 、38 、40 ，應(yīng)力隨跨度增加而增大。從最小主應(yīng)力計算結(jié)果來看，方案三的拉應(yīng)力超出了折減以后巖石本身的抗拉強(qiáng)度值，此時直接頂板容易出現(xiàn)拉破壞，會造成頂板冒落。所以從應(yīng)力分布結(jié)果來看，在留點柱的前提下，點柱間礦塊跨度為10m時，直接頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以，點柱尺寸為2mx2m時礦塊跨度以6-8m為宜。

（1）方案一開采后頂板最大主應(yīng)力分布 （2）方案二開采后頂板最大主應(yīng)力分布

（3）方案三開采后頂板最大主應(yīng)力分布

2.2 最大位移云圖結(jié)果分析

從最大位移圖計算結(jié)果來看（圖3-2），點柱尺寸為2m，礦塊跨度為6m、8m、10m時頂?shù)字?、間柱、點柱覆巖的最大位移分別分別增加，隨著深度的增加，最大位移呈線性增加。

（1）方案一開采后頂板最大位移分布 （2）方案二開采后頂板最大位移分布

（3）方案三開采后頂板最大位移分布

隨著600中段向深部300中段開采的過程中，當(dāng)開采至300中段以后，600中段采場內(nèi)點柱位移最大，逐漸往下，采場內(nèi)點柱位移逐漸減小，說明在向下開采的過程中，上部空區(qū)中點柱破壞較為嚴(yán)重，三種方案的最大位移均出現(xiàn)在600中段的點柱中。說明開采后頂?shù)字?、間柱及點柱主要受壓應(yīng)力。

2.3 塑性區(qū)分布模擬結(jié)果分析

在對模擬結(jié)果分析過程后，從留點柱后三種方案模擬結(jié)果可得，方案一礦體開采后塑性區(qū)主要出現(xiàn)在300中段，390中段，450中段，500中段及550中段頂柱部位。在500中段偏下位置局部點柱和連續(xù)間柱也有少量塑性區(qū)出現(xiàn)；方案二將礦塊跨度擴(kuò)大到8m后，350中段到550中段頂柱塑性區(qū)越發(fā)明顯，且間柱及點柱也有大量塑性區(qū)出現(xiàn)；方案三開采后整個頂?shù)字伴g柱都處于塑性狀態(tài)，此時頂?shù)字?、間柱都不太穩(wěn)定，所以在采場內(nèi)的點柱最好控制在6-8米之間。從三個方案塑性區(qū)分布位置來看，隨著開采深度的增加，頂?shù)字伴g柱出現(xiàn)塑性區(qū)區(qū)域越大。

3 結(jié)論

3.1 各中段開采后圍巖移動規(guī)律分析結(jié)論

各中段開采后，600中段采空區(qū)圍巖最大位移值為1.15cm，最大位移點位于緊鄰采空區(qū)中心的上下盤圍巖中，上盤垂直位移分布似雞蛋形，呈拱形分布向上逐漸減小；550中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為1.51cm，位于550中段采空區(qū)的中心，上下盤圍巖的最大位移均呈現(xiàn)拱形分布；500中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為2.01cm，最大位移點出現(xiàn)在500中段和550中段緊鄰采空區(qū)中心的上盤圍巖中，上下盤圍巖的最大位移均呈現(xiàn)拱形分布；450中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為2.49cm。390m中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為3.14cm，350中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為4.12cm，300中段采空區(qū)圍巖的最大位移值為5.18cm，由于采空區(qū)中心的下降，最大位移點出現(xiàn)在300中段和350m中段采緊鄰空區(qū)中心的上盤圍巖中，上下盤圍巖的最大位移呈現(xiàn)拱形分布。

初始狀態(tài)下，應(yīng)力的分布分層現(xiàn)象明顯，從上至下應(yīng)力依次增大，最大壓應(yīng)力為模型底部。礦體開挖以后，由于采空區(qū)的存在，破壞了原來的平衡狀態(tài)。在采空區(qū)周圍應(yīng)力得到釋放，下盤緊鄰采空區(qū)的邊界，應(yīng)力降低。上盤主要為拉應(yīng)力，上盤圍巖的破壞主要受拉應(yīng)力所致，采空區(qū)頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3.2 頂板控制的模擬分析結(jié)論

⑴ 針對勐興鉛鋅礦頂板處于不穩(wěn)至中等穩(wěn)固以上的特點，在礦體開采過程中，在采場內(nèi)留2mx2m的點柱前提下，將礦塊間跨度控制在6-8m以內(nèi)，且隨著開采的不斷深入，應(yīng)適當(dāng)增加間柱及頂?shù)字膶挾?，能保證開采過程頂板的穩(wěn)定。

⑵ 在礦體開采過程中，除采用留點柱控制頂板的方法進(jìn)行開采以外，在局部也可采用錨桿護(hù)頂，立柱護(hù)頂及木垛支護(hù)代替點柱等聯(lián)合支護(hù)方案，此方案相對于單獨(dú)留點柱支撐頂板方案而言，可以大大降低損失率，提高礦石回收率。

綜合以上對間柱、點柱、頂?shù)字绊敯宸€(wěn)定性的分析，從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)模擬結(jié)果看，認(rèn)為針對勐興鉛鋅礦在礦體開采過程中，應(yīng)在采場內(nèi)留2mx2m的點柱，且點柱間礦塊的跨度控制在6-8m以內(nèi)，且隨著開采的不斷深入，應(yīng)適當(dāng)增加間柱及頂?shù)字膶挾取?/p>

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（作者單位：云南馳宏鋅鍺股份有限公司 永昌鉛鋅公司）