空區(qū)群結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)模擬分析

蔣永春

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205)

0 引 言

銅坑礦是一座具有幾十年歷史的老礦山,開采過程中產(chǎn)生了大量的采空區(qū),復(fù)雜空區(qū)群造成了井下圍巖應(yīng)力分布異常復(fù)雜,是一個重大安全隱患,嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)[1G2].

空區(qū)群結(jié)構(gòu)致災(zāi)的原因是復(fù)雜的,其中應(yīng)力作用是一個主要原因.由于空區(qū)群具有隱伏性、危險性、難以靠近等特點(diǎn),因此其失穩(wěn)破壞的過程是難以觀察的.空區(qū)群的結(jié)構(gòu)效應(yīng)[3]又導(dǎo)致了其失衡機(jī)理復(fù)雜多變,難以直接探究其失穩(wěn)機(jī)理.

通過數(shù)值模擬計(jì)算方法對空區(qū)群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行模擬,探究空區(qū)群結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律是一種簡單可行的辦法[4G7].巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA是一種模擬非連續(xù)介質(zhì)從細(xì)觀破裂到宏觀破裂直至全過程失穩(wěn)的數(shù)值試驗(yàn)工具[8].運(yùn)用RFPA對銅坑礦典型空區(qū)群進(jìn)行漸進(jìn)失穩(wěn)破壞的數(shù)值模擬,以探究空區(qū)群結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)變化規(guī)律.

1 計(jì)算區(qū)域的選取

通過對92＃礦體空區(qū)群的空間分布情況進(jìn)行分析,選取以下典型空區(qū)群作為本次數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域:勘探線204－1上的T417,T416,T415空區(qū)群;勘探線206－1上的T610,T609空區(qū)群;勘探線202－2上的T206,T203,T202空區(qū)群.從空間分布、空區(qū)大小及空間間距情況都具有代表意義,其空間分布有上下、平行和斜交三種類型;空區(qū)體積最大的達(dá)到150000 m3,其頂板面積最大達(dá)4000 m2;空區(qū)間距為6~85 m不等.所選空區(qū)群基本代表了銅坑礦井下空區(qū)群分布的特點(diǎn).

2 RFPA數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)模型大小和RFPA軟件運(yùn)算能力,對不同模型選取不同的模型范圍和單元大小(見表1),建立的RFPA計(jì)算模型如圖1所示.

表1 隱患空區(qū)REPA計(jì)算模型參數(shù)

圖1 各勘探線RFPA計(jì)算模型

2.2 基元賦值

基元參數(shù)是根據(jù)礦巖性質(zhì)進(jìn)行選取的.依據(jù)92＃礦體及圍巖的性質(zhì),選取的基元參數(shù)見表2[9].

表2 銅坑礦巖體基元參數(shù)

2.3 初始地應(yīng)力及邊界條件

巖體的地應(yīng)力由自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力組成.巖體自重應(yīng)力是豎直向下的,與其密度密切相關(guān);構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜,據(jù)測量與實(shí)驗(yàn),本礦構(gòu)造應(yīng)力并不顯著.因此,應(yīng)力主要是巖石自重應(yīng)力.

銅坑礦的原巖應(yīng)力主要是自重應(yīng)力,與單軸抗壓的平面應(yīng)變模型相似,因此其邊界條件可設(shè)置為:應(yīng)力加載方向?yàn)閅軸向下,約束條件為不約束.自重應(yīng)力根據(jù)空區(qū)群上方巖體自重進(jìn)行求取.

3 空區(qū)群結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)模擬分析

模型X方向外邊界限制垂直于邊界的位移,模型Y方向第一步施加外荷載3 MPa,以后以每一步0.25 MPa的加載量進(jìn)行加壓模擬.在模擬過程中假定空區(qū)群是一次預(yù)先形成,只需要RFPA系統(tǒng)進(jìn)行加載,重點(diǎn)研究圍巖系統(tǒng)的起裂部位和破裂演化路徑及其與空區(qū)群結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系.

3.1 勘探線204－1的空區(qū)群

圖2為勘探線204－1空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程的剪應(yīng)力分布.

(1)隨著加載至第5步時(壓應(yīng)力為4.25 MPa),每個空區(qū)頂板均未出現(xiàn)拉破裂,而T417,T416,T415空區(qū)礦柱上剪應(yīng)力逐漸增大,出現(xiàn)了剪切微裂紋;隨后微裂紋逐漸增加形成微破裂帶,深入礦柱中,由于空區(qū)之間距離較遠(yuǎn),空區(qū)未能連成一片,因此,沒有形成一個大的聯(lián)合空區(qū);

(2)加載至第9步時(壓應(yīng)力為5.25 MPa),T417空區(qū)頂板首先出現(xiàn)了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發(fā)展,形成片幫現(xiàn)象.

(3)至第21步時,T417空區(qū)頂、底板均出現(xiàn)較大的拉破裂,且隨著進(jìn)一步加載,拉破裂進(jìn)一步增大.

(4)至第34步時(壓應(yīng)力達(dá)11.50 MPa),T415空區(qū)也出現(xiàn)了較大的拉破裂,T417空區(qū)則整體突發(fā)失穩(wěn).

(5)至第53步時,T417,T416,T415空區(qū)都被破壞,3個空區(qū)整體失穩(wěn).

圖2 勘探線204－1空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

3.2 勘探線206－1的空區(qū)群

圖3 為勘探線206－1空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程的剪應(yīng)力分布.

(1)隨著壓應(yīng)力的加載,空區(qū)周邊圍巖應(yīng)力發(fā)生重大變化,突出表現(xiàn)在空區(qū)間柱上.隨壓應(yīng)力的不斷加載,間柱上的剪應(yīng)力急劇增大,間柱上出現(xiàn)了微裂紋,此后微裂紋不斷向間柱深處發(fā)展.

(2)加載至第5步時(壓應(yīng)力為4.25 MPa),首先在T610,T609空區(qū)右?guī)统霈F(xiàn)微裂紋,隨著應(yīng)力波的逐步向上傳播,裂紋不斷往空區(qū)上方擴(kuò)展.

(3)加載至第14步時(壓應(yīng)力為6.50 MPa),空區(qū)頂板首先出現(xiàn)了較大的拉破裂,此后拉破裂逐漸向圍巖深處發(fā)展,形成片幫和垮落現(xiàn)象.由于空區(qū)間柱寬度只有6 m,裂紋最先在該位置貫通致使空區(qū)間柱失去支撐能力,此時空區(qū)群結(jié)構(gòu)整體功能基本失效,但結(jié)構(gòu)形式尚存,仍能夠發(fā)揮部分殘余支撐作用.

(4)加載至第25步時(壓應(yīng)力達(dá)9.25 MPa),空區(qū)間的間柱發(fā)生斷裂破壞,空區(qū)群－圍巖系統(tǒng)突發(fā)整體性失穩(wěn).

圖3 勘探線206－1空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

3.3 勘探線202－2的空區(qū)群

圖4 為勘探線202－2空區(qū)群靜力失穩(wěn)破壞過程中的剪應(yīng)力分布.

圖4 勘探線202－2空區(qū)群圍巖失穩(wěn)破壞過程

(1)由于T206空區(qū)與其它空區(qū)間距相對較大,達(dá)85 m,因此,其它空區(qū)的存在對其影響相對較少.加載壓應(yīng)力后空區(qū)只出現(xiàn)局部微裂紋,擴(kuò)展速度緩慢.

(2)T202與T203空區(qū)在空間上處于上下斜交位置,間距寬度只有6 m,隨著壓應(yīng)力的進(jìn)一步增大,空區(qū)周邊圍巖應(yīng)力發(fā)生重大變化,尤其表現(xiàn)在斜交的間柱上.隨壓應(yīng)力進(jìn)一步增大,間柱上的剪應(yīng)力急劇增大,間柱上出現(xiàn)了微裂紋,此后微裂紋逐漸向圍巖深處發(fā)展,貫通于整個礦柱,礦柱失去支撐能力.

(3)加載至第4步時(壓應(yīng)力為4.00 MPa),首先在T203空區(qū)右上方出現(xiàn)局部片幫垮落的現(xiàn)象,隨著壓應(yīng)力的近一步增大,片幫范圍不斷向外擴(kuò)展.

(4)加載至第16步時(壓應(yīng)力為7.00 MPa),T202與T203空區(qū)間的間柱發(fā)生斷裂破壞,導(dǎo)致兩小空區(qū)連通成大空區(qū).

4 結(jié) 論

(1)在自重應(yīng)力為主作用下,空區(qū)群中各個空區(qū)頂板均會出現(xiàn)拉破壞,導(dǎo)致空區(qū)頂板失穩(wěn)破壞.由此可見拉破壞是頂板破壞的主要原因.

(2)空區(qū)間上下斜交的薄礦柱最易失穩(wěn)破壞,導(dǎo)致小空區(qū)連通成大空區(qū),極易出現(xiàn)空區(qū)群突發(fā)性整體失穩(wěn)的重大事故.

(3)空區(qū)群中距離其他空區(qū)較遠(yuǎn)的空區(qū),如勘探線202－2上的T206空區(qū),其實(shí)一定程度上相當(dāng)于單個獨(dú)立空區(qū),不易發(fā)生失穩(wěn).

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