地下采场稳定性数值模拟研究及结构参数优化.pdf

第 6 4 卷第 4 期 有 色 金 属( 矿山部分) 2 O 1 2 年 7 月 d o i： l 0 3 9 6 9 J is s n 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 2 0 4 0 0 6 地下采场稳定性数值模拟研究及结构参数优化 董 凯程 ， 曹 辉 ， 解联 库 ( 北 京矿 冶研 究总 院 ， 北 京 1 0 0 1 6 0 ) 摘要 ： 采场 回采顺序及结构参数对提高采场 回采安全性 ， 降低 回采损失 、 贫 化率 ， 提高 回采效 率有重要意 义。 利用 F L A C 数值分 析软件 ， 对不 同结构参数采场稳定性进行数值模拟分 析。通过对矿柱及 围岩 的应 力 、 应 变及破 坏特征进行分析 ， 得出不同采场结构参数条件下采场 的应力 、 应变及破坏特征变化规律 ， 最终确 定合理 的回采顺 序 及采场结构参数 ， 提高采场 回采安全性及 回采效率 。 关键 词 ： 结构参数 ；塑性区 ； 数值模拟 ； 采 场稳定性 中图分类号 ： T D 3 2 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 O 1 2 ) 0 4 0 0 1 9 O 4 Nu me r ic a l s imu l a t io n o f u n d e r g r o u n d s t o p e s t a b il it y a n d s t r u c t u r a 1 p a r a me t e r s o p t imiz a t io n DONG Ka i c he ng，CAO HUi。XI E Lia nku ( B e i j in g Ge n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Min in g 8 L Me t a l l u r g y ，Be i j in g 1 0 0 1 6 0，Ch i n a ) Abs t r a c t ：St o pe mining s e q ue n c e s an d s t r uc t u r a l pa r a me t e r s a r e imp or t an t t o impr o ve min in g s a f e t y，r e duc e min in g l o s s e s a n d d il u t io n r a t e ，a n d in c r e a s e t h e e x t r a c t io n e f f ic ie n c y S t o p e s t a b il it ie s wit h d if f e r e n t s t r u c t u r a l p a r a me t e r s a r e a n a l y z e d by t h e nu mer ic a l an a l y s is s o f t wa r e FLAC By a na l y z in g t he s t r e s ss t r a in a nd f a il ur e c h a r a c t e r is t ic s o f t h e r o c k p il l a r s a n d wa l l r o c k s ， t h e s t r e s s ， s t r a in a n d f a il u r e c h a r a c t e r is t ic s wit h d if f e r e n t s t r uc t u r a l pa r a me t e r s a r e s u mma r iz e d Re a s on a bl e s t op e minin g s e qu e nc e s a nd s t r u c t ur e p a r a me t e r s a r e d r a wn，a nd t he s t op e min in g s a f e t y a n d mining e f f ic ie n c y a r e a l s o impr ov e d Ke y wor d s：s t r uc t u r a l pa r a me t e r s；pl a s t ic z o ne；nume r ic a l s imu l a t ion；s t o pe s t a bil it y 顶板 冒落 、 矿柱破坏是采矿过程 中的重要岩石 力学问题 。采场结构参数 不仅影响采矿安全， 与采 场作业效率也密切相关_ 】 。目前采场结构参数的 确定 主要 有 3种方 法 ： 经 验 类 比法 、 解 析 计 算法 、 数 值分 析法 。本 文采 用 三 维有 限差 分 软件 F L AC 对不同结构参数采场的稳定性进行数值模拟分析 ， 最终确定合理的采场结构参数 。 1工程 地 质 概 况 矿层 走 向长 约 3 1 1 2 i n ， 平 均 品 位 2 5 3 4 ， 厂 系数 6 1 0 。矿体属 中等稳 固， 厚度 3 4 m。矿层直 接顶 板为 含磷 硅质 团块 白云岩 ， 直 接 底 板 为 含 磷 白 云岩 ， -厂系数为 1 1 1 3 ， 稳固性较好。矿体倾角 8 5 。 左右 ， 采 用大直 径 深孔 阶段 空 场 嗣后 充 填 采 矿 法 进 行 回采 。通过 现场 取 样 与 室 内岩 石 力 学 试 验 ， 得 到 作者简介 ： 董凯程 ( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 硕士 ， 助理工程师， 采矿工程专业 ， 主 要从事金属矿山采矿工艺与岩石力学方面的研究。 主要矿岩及充填体物理力学参数 ， 如表 1 所示。 表 1 主要岩体 力学参数 Ta b l e 1 M e c ha nic s pa r a m e t e r s o f r o c k m a s s 2 模 型的建立 综 合考虑 矿体 及 围岩分 布特 点 以及 岩层 移动 角 等因素 ， 最后确定三维模型的尺寸为 1 2 0 in 5 0 0 i n 1 6 O m。三种矿块尺寸分别建立三个独立模型进 行计算 ， 模型划分节点数及网格数如表 2所示 。 模型四周及底面为位移边界条件， 约束法 向位 2 o 有 色 金 属 ( 矿山部分) 第 6 4 卷 移 ， 顶 面为 竖 向应 力边 界条件 ， 由上覆岩 土体 自重换 及 网格划分 如 图 l 所示 。 算 得 出 ， 模 型 内部矿 房 及 矿柱 分 布 情 况 和计 算模 型 ( a ) 计算模型简图及其尺寸 ( b ) 模型网格划分图 图 1 计算模型及其网格 图 Fi g 1 Co m pu t a t i o n m o d e l a nd i t s m e s h i n g g r i ds 表 2模型节点数及网格数 Tab l e 2 N o de n um b e r a nd g r i d n umbe r o f t he m o d e l 3 模 拟 结果 3 1 矿 柱及 围岩应 力变 化特 征 采场回采过程 中第一步骤 、 第二步骤应力变化 不 明显 ， 主要 分析第 三 、 四步骤 开采 过程 中的应 力变 化 情况 。图 2表示 采 场宽 度 为 1 5 I T I 条件 下 的采 区 水 平 中截面 及其 下面部 分岩 体 的竖 向应 力分 布 。从 图 中可 以看 出， 矿 房开 采初 期 ， 空 区周 围竖 向应力较 低 ， 外围有应力集 中区域， 充填后充填体 内竖 向应力 也较低 。随开采 的不 断进 行 ， 采 区 内部支 撑 矿 柱应 力也 不断 降低 ， 大部 分应力 转嫁 到周 围岩体 。另外 ， 回采矿柱时， 矿房内充填体 内部应力也逐渐增大 ， 逐 渐能 够承 担部 分顶 底 板 的竖 向应 力 ， 抑 制 顶底 板 变 形 ， 有利 于矿柱 的安 全开 采 。从 数值 计算结 果来 看 ， 位于采 区 中间部位 的岩体 初 始竖 向应 力 值 约为 6 5 5 MP a ， 不 同采场宽 度 的矿体 开采 引 起不 同程度 的竖向应力值升高， 其 中采场 1 2 m宽时， 最大竖向 应力值为 1 l _ 1 7 MP a ， 应力升高 4 6 2 MP a ； 采场 1 5 1 T I 宽 时 ， 最 大 竖 向应 力 值 为 1 1 0 5 MP a ， 应 力 升 高 4 5 0 MP a ； 采 场 1 8 r i 1 宽 时 ， 最 大竖 向应 力 值 为 1 1 2 5 MP a ， 应 力升 高 4 7 0 MP a 。 3 2矿柱 及 围岩应 变特征 矿体回采过程中， 随着矿体的不断采出， 岩体悬 空面积不断增大 ， 初始应力平衡体系被破坏 ， 围岩在 其 内部不平衡的应力作用下必然通过一定的方式寻 求新的平衡 ， 岩体变形过程使得围岩积聚的应力不 断释 放 、 转移 。空 区岩 壁应 力 释 放 主要 通 过 岩 体 变 形 ， 如果应 力太 大 ， 岩 壁位移 量过 大会 引起 顶板 大面 积垮落 ， 造成地下开采隐患 ， 且贫化率也会相应增大 。 矿柱变形量 太大也容易影 响到其 自身 的稳定性 。 矿柱开采时其支撑体 系为充填 的胶结充填体 ， 而 矿房 回采 时支撑 系统是 原岩 。胶结 充填 体 的弹性 模量远小于原岩 ， 即其坚硬程度远小于原岩， 抑制顶 板 变形 能力较 弱 。对 于 本研 究 来 说 ， 容 易 出安 全 问 题 的阶段也是 矿柱 回采 阶 段 ， 因此 有 效 控 制 矿柱 回 采 阶段 的覆 岩位 移是关 键 。 图 3是 矿柱 回采完 毕后矿 体走 向中断面 围岩及 充填体位移矢量图， 从总体位移规律上来看 ， 主要岩 体移动发生在采场底板 向上 5 5 。 范 围的岩体内。先 充填 的胶 结充填 体 由于受 力 作 用 时 问较 长 ， 由初 始 的空单元 迭代 为压 实状 态 ， 数 值 计 算 结 果显 示 发 生 相对 较 大的竖 向位移 。而 后期充 填体 竖 向位移相 对 较小， 充填体位移变形量大也意味着 内部吸收能量 较 大 。 充 填体 相对 原岩 弹 性模 量 较 小 ， 其 抵 抗顶 板 变 形能力相对较弱