大垮塌原矿仓修复治理稳定性分析评价

1、大垮塌原矿仓修复治理稳定性分析评价原野1,2，于世波1,3，任晓龙1,2(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京，102628；3. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京，100083)摘要：原矿仓放矿过程中矿石的冲击和磨损易造成原矿仓的变形、失稳和垮塌。针对这种问题，采用BLSS-PE矿用三维激光扫描仪对某矿山大垮塌原矿仓进行三维激光扫描，精确地建立起原矿仓的三维可视化模型，获得其形态、边界和位置等信息。基于原矿仓的修复方案，运用FLAC3D软件对原矿仓垮塌破坏情况进行数值模拟，掌握了附近围岩的地压分布状况，重点分析了原矿仓修复治理过

2、程中整体结构的稳定性。数值模拟结果表明：采用双控锚索+锚网喷联合支护修复治理方案，原矿仓的破坏得到有效限制，围岩的稳定性也相应提高，同时破坏区域围岩的受力状态得到了改善，保证了作业人员安全，治理效果明显。关键词：原矿仓；三维扫描；数值模拟；联合支护中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：Analysis and evaluation of restoration and reinforement for extensively collapsed ore binYUAN Ye1,2,YU SHIBO1,3,REN XIAOLONG1,2(1. BGRIMM Technology Gr

3、oup, Beijing 100160, China; 2. National Center for International Joint Research on Green Metal Mining, Beijing 102628, China; 3. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract：The impact and wear of ore during ore deposit are ea

4、sy to cause deformation, instability and collapse of the ore bin. Aiming at this problem, the BLSS - PE mine scanner to a collapsed mine ore bin for 3 d laser scanning, accurately set up 3 d visualization model of ore bin, accurately grasp the collapse area shape, location and boundary. Ore bin coll

5、apse damage by FLAC3D numerical simulation, mastered the nearby surrounding rock pressure distribution, analyses the ore bin to repair the stability of the whole structure during the process of governance. Numerical simulation results show that combined support of double controllable cable and bolt-

6、mesh-shot concrete effectively limit the destruction of the ore bin and raise the stability of surrounding rock, at the same time, damage area of surrounding rock stress state is improved.This scheme ensures safely personnel operation and its effect is obvious. Key words：ore bin; 3-Dscanning; numeri

7、calsimulation; combined support收稿日期：2018-4-12基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（41602365），国家重点研发计划 （2016YFC0600803）作者简介：原野(1984)，男，汉族，山西运城人，高级工程师，硕士，主要从事矿山岩石力学研究及采矿工程研究。E-mail：yuanye0926。1引言在金属地下矿开采系统中，原矿仓是重要的矿石转运设施之一，其垮塌会引起矿仓周边的井筒和巷道发生变形、错位导致矿山部分采矿区域停采，严重时影响矿山的全矿生产1-7，给矿山带来诸多方面的影响8-10。山东黄金某矿山自2014年发现原矿仓有垮塌情况以来，垮塌

8、现象越来越严重，但基于矿山生产的实际需要，修复原矿仓的阻力较大，且修复难度较大、周期较长，鉴于以上原因迟迟未进行治理。近期原矿仓检修放空发现垮塌范围极大，严重影响矿仓上部卸矿站及原矿仓本身的使用，原矿仓修复迫在眉睫。针对这一问题，采用BLSS-PE矿用三维激光扫描仪对某矿山大垮塌原矿仓进行三维激光扫描，精确地建立起原矿仓的三维可视化模型，获得其形态、边界和位置等信息。以此为基础，研究提出双控张拉锚索束联合支护修复治理方案，并采用数值模拟对原矿仓治理方案稳定性进行评价分析。2原矿仓三维扫描及建模2.1大垮塌原矿仓三维扫描针对原矿仓的三维空间形态和垮塌区域位置不易测量的实际困难，采用北京矿冶科技集

9、团有限公司自主研发的BLSS-PE矿用三维激光扫描仪对矿山垮塌原矿仓进行三维激光扫描，精确获取其垮塌区域的信息。2.2原矿仓垮塌区三维建模运用原矿仓扫描数据，采用BLSS-PE3Dmine软件建立三维模型，准确获取垮塌区域三维形态、边界和位置（图1）。图1 大垮塌原矿仓三维模型Fig.1 3-D model of a large collapsed ore bin2.3 原矿仓垮塌区平面切割剖分为了对原矿仓垮塌区域水平切割面与设计边界进行对比，需要对所建立的原矿仓模型进行水平平面切割。沿原矿仓三维模型在-610-649m标高，每隔5m生成一个剖面，基于以建立的三维模型，获得各剖面面积与最大宽度

10、值，形成对比图，如图2（a）所示。为了弄清垮塌最大轮廓线与卸矿站及附近设施的具体位置关系，将垮塌最大轮廓线与-600m平面图复合，如图2（b）所示。可以看出，纵向垮塌从-612m一直延伸至-649m水平，垮塌高度37m，横向垮塌边界距离主混合井井筒中心距离为17.75m，垮塌边界距离设计矿仓中心最大位置位于-629m水平与-634m水平之间，最大距离约为12m。 （a） （b）图2 三维模型横剖面及平面位置分布Fig.2 3-D model transverse profile and plane location distribution3 原矿仓修复治理方案简述修复治理方案总体是按照井筒外

11、双控锚索控制大范围岩体移动、井筒内锚网喷支护控制局部岩体移动考虑。主要施工工序及参数如下：（1）碎石填充：将原矿仓中填入无粘结46cm粒径碎石。以防止碎石下放过程中“悬顶”现象的产生。（2）双控张拉锚索钻孔及安装施工：双控张拉锚索钻孔沿原矿仓南北两侧向井筒内壁施工，所有钻孔完成后安装钢绞线，待锚墩制作完成后即可开始进行井筒内的分项工程施工。井筒内同一标高的锚索端部固定施工完成后，在地面对锚索按设计要求施加预紧力。锚索全部施工完毕后，孔内全长砂浆锚固。锚索采用750kN级，单束锚索由6根15.24mm钢绞线绑扎而成。（3）井筒内锚喷网支护：该分项工程在原矿仓碎石堆随放矿逐层进行，每次放矿高度为2

12、m。随放矿逐层施工砂浆锚杆，锚杆规格为20mm2.5m，间排距为1m1m。锚杆施工完成后，选用6mm的钢筋编织钢筋网，网度为100mm100mm，使其与岩壁紧密贴合。（4）井筒内长锚索施工：原矿仓四周在井内施工锚索孔，钻深8m，间排距为2m，单根锚索直径为15.24mm，树脂锚固长度2m，初始张拉至10t，后对钻孔内其它空间灌浆填充。锚杆、锚索要垂直岩壁及结构面施打。4 修复后原矿仓稳定性分析4.1 模拟思路为了更加准确地分析评价原矿仓修复治理后的稳定性，采用基于实测垮塌空间形态建立的三维地质力学模型进行数值模拟，分析垮塌现状原矿仓的稳定状态以及修复治理过程及修复治理后原矿仓稳定状态。1、模型

13、建立根据研究对象的尺寸、方位，考虑边界效应等因素，采用3DMineFLAC3D方式建立的地质力学模型如图3（a）所示，模型尺寸为60m80m100m，由480000个六面体单元组成。锚索、锚杆采用cable单元，喷射混凝土及钢筋网采用shell单元，模拟单元与垮塌轮廓模型如图3（b）所示。地应力采用实测地应力数据。 （a）工程地质模型 （b）支护体力学模型图3 工程地质力学模型Fig.3 Engineering geological mechanics model2、模拟顺序为了真实反映原矿仓破坏现状的稳定状态及垮塌后采用双控张拉锚索束联合支护修复治理方案的治理效果，共设置了两种模拟工况。（1

14、）原矿仓垮塌现状模拟工况：开挖状态初始地应力计算设计原矿仓一步开挖成井原矿仓现状轮廓自上而下开挖；（2）原矿仓现状在双控张拉锚索束联合支护修复治理工况：开挖状态初始地应力计算设计原矿仓一步开挖成井原矿仓现状轮廓自上而下开挖并逐层放矿施加加固措施，在该模型中将放矿及施工过程分为三步模拟整个过程中的稳定状态。3、岩体力学参数考虑模型尺寸，参考地质勘查报告对所在岩层的岩性描述，本次模拟中岩体参数取值如表1所示。表1 岩体力学参数表Table.1 Mechanical parameters of rock mass/c/MPat/MPaE/GPa/kNm-33111.44.43.4260.224.2

15、模拟结果分析（1）原矿仓垮塌现状模拟工况由于南北向的垮塌范围最大，因此围绕最大垮塌跨度方向剖面对模拟结果展开分析最具有代表性。模拟结果如图4所示。可以看出原矿仓在没有治理情况下放空后，塑性区分布厚度大约有5m左右，且均处于剪切和拉伸破坏状态；在塑性区区域出现拉应力值达到0.35MPa，最大变形量达到7.5cm。如果单纯的放空在不进行加固治理，那么原矿仓将会在顶板及侧帮区域发生大范围冒顶及片帮现象，将无法维持自身的稳定，更无法保证下一步原矿仓在冲击荷载作用下的继续使用。因此，要想维持原矿仓的继续使用，必须对其进行加固修复。（2）原矿仓现状在双控张拉锚索束联合支护修复治理工况根据上述提供的施工方案

16、及工艺参数对原矿仓就行修复加固治理，模拟结果如图5所示。在第一步下放碎石并采用双控锚索及井筒内短锚索和锚网喷加固后，塑性区范围得到明显控制，均没有出现正在发生的破坏单元，且锚索受力在设计要求范围内。 （a）塑性区分布 （b）水平应力分布 （c）水平变形分布图4 原矿仓垮塌现状下的模拟分析图Fig.4 Simulation analysis of extensively collapsed ore bin （a）第一步下放并加固井壁 （b）第二步下放并加固井壁 （c）第三步下放并加固井壁图5 原矿仓在逐步下放废石并加固后的塑性区及锚索支护体受力模拟分析图Fig.5 Simulation anal

17、ysis of blastic area and cable forces after descending ore gradually and reinforcing to ore bin在在第二步下放碎石并采用双控锚索及井筒内短锚索和锚网喷加固后，塑性区厚度仍然较小，塑性区范围得到明显控制；井筒内锚喷支护结构由于受到逐步下放矿石后暴露面积增大的影响，井筒内的锚喷支护结构在该步骤下放区段内的受力明显增大，但仍在设计要求的范围内，说明整个支护体受力能够有效与围岩压力相匹配，支护体与围岩相互作用达到耦合状态。在在第三步下放碎石并采用双控锚索及井筒内短锚索和锚网喷加固后，塑性区厚度仍较小，塑性区范

18、围得到明显控制，但塑性分布单元均恢复弹性状态；井筒内锚喷支护结构由于受到逐步下放矿石后暴露面积增大的影响，井筒内的锚喷支护结构的上部区域受力较大，这主要原因是上部的垮塌及暴露空间较大造成的，但支护体能够充分受力而不发生破坏。整个支护结构相互配合、互为补充，对控制井筒围岩的稳定性起到了关键作用。通过图6原矿仓加固后的变形模拟结果可以看出，加固后的原矿仓在最大垮塌跨度位置的变形仅为2.5cm，表明围岩稳定性得到了有效控制，原矿仓围岩在施加加固措施之后，矿仓自身及后续使用过程中是稳定的，后续在对放矿过程和原矿仓内储矿位置进行优化后，能够满足原矿仓的长期使用需求。 （a）东西方向水平变形 （b）南北方向水平变形图6 原矿仓加固后的井壁变形模拟分析图Fig.6 Simulation analysis of the wall of ore bin after reinforcement for ore bin5 结论（1）采用BLSS-PE3Dmine软件建立原矿仓三维模型，获得其形态、边界和位置等信息，为原矿仓稳定性评价及修复治理方案提出提供前提及支撑。（2）针对大垮塌原矿仓修复治理提出了外围双控锚索+井筒内锚网喷联合支护方案