数值模拟在露天转地下过渡开采矿山中的应用

数值模拟在露天转地下过渡开采矿山中的应用

采用数值模拟计算法对矿山工程的岩体力学状态和稳定性进行评价，是研究岩体力学的常用方法。数值模拟是一种定量的方法,虽不苛求结果严格的准确性,但是所选用的计算方法必须既简便,又能较多地考虑复杂的地质条件和工程的施工因素,而且还必须注意数值模拟中的一些关键性的技术,使建立的数值模型尽量接近实际,以保证结果的可靠性。1数值模型在采矿准备过程中的重要技术和方法1.1计算模型的选取进行岩体力学分析的系统模型,要反映出主要的地质和岩体技术方面的信息,所需的资料一般包括:(1)研究区域的地形、地貌,不同类型岩土边界的几何形状;(2)主要结构面(断层、节理、裂隙等)的统计资料;(3)露天开挖体以及地下开挖体的几何形状、尺寸;(4)不同类型岩体的力学参数,其中包括密度,弹性模量、抗压和抗拉强度,摩擦角、内聚力以及泊松比等,这些往往是决定结果准确度的基础性参数:(5)为减少应力集中现象,主要模拟的开挖部位一般要位于模型的几何中心,且距离模型的边界为开挖断面尺寸的3～5倍。矿山开采及稳定性问题本身是一个空间问题,采用三维计算模型更为合理,一般情况下,为计算简便,根据实际也可简化为二维模型,如模拟部分的几何形状均匀,且开挖断面面积小于纵剖面面积,那么就采用二维分析;同时要考虑要采用连续介质还是非连续介质,考虑它的非线性效应,选取适当的屈服准测,系统的加载或卸载速度,以决定采用准静态模型还是动态模型。1.2数值计算模型在进行开挖岩体稳定性和区域稳定性数值模拟时,经常截取岩体的某一部分建立数值模拟计算模型,用一定的边界约束条件去替代原始介质的连续状态。边界约束方法选取合理与否决定着结果是否符合或接近实际情况。其确定方法如下(1)岩土开挖工程中,受地下构造应力和岩体自重力的共同作用,但在缺乏全面的资料的情况下,一般在模型两侧需要施加水平方向的梯度力,计算公式为:σ=ξρgh(ξ为围岩的侧压力系数)。(2)模型的底部为固定边界,即底部边界节点水平位移和垂直位移均为零(u=0,ν=0)。(u=0,ν=0)。(3)一般模型上部地表的荷载忽略不计,仅计算岩体在自重应力作用下的变形情况。数值模拟边界约束示意图如下图1所示:1.3岩体变形模量测试岩体力学参数的选取是一项复杂的工作,同时岩体力学参数也关系到计算结果是否符合实际。目前规范中提出的确定岩体力学参数的经验公式包括节理密度法、费先科公式、霍克一布朗公式。在有条件的情况下,可以在现场直接测试岩体的变形模量和强度特征。岩体的变形模量常通过现场的平板载荷试验、压力硐室实验和地震波试验等来求得。岩体的强度特性,主要是岩体的抗剪强度问题,可以通过野外抗剪断试验取得,但这些费用昂贵,费工费时,所以常通过工程类比法,从岩石的变形特性和岩体的结构特性来推测岩体的变形特性与强度特性。1.4选取计算模型数值模拟的可靠性在一定程度上取决于对地质条件的研究程度,必须正确了解计算区域地质和地形情况,做到从地质模型到计算模型的正确过渡。在选取计算模型时,要根据数值模拟的目的及矿山的实际情况,选择适当的计算剖面及剖面的计算范围;确定计算模型的位移约束条件及应力边界条件;根据计算机容量选择适当的开挖步数,对计算模型进行离散化处理,对采场结构在模型中还需作一定的简化处理。2实例分析2.1露天开采矿区地质概况唐山钢铁矿业有限公司石人沟铁矿矿区工程地质勘察类型为块状岩类矿床,工程地质条件属简单型。矿区内出露地层为下太谷界迁西群马兰峪组片麻岩系,岩性特点自上而下为黑云母角闪斜长片麻岩,角闪斜长片麻岩和花岗片麻岩。岩石强度大,稳定性好。但区内断裂构造发育,矿区出露的各类脉岩,有的切穿矿体,因此在矿体开采中,破碎断裂的岩层成为一些潜在的滑移面,严重影响露天开采时边坡的稳定性。本矿区主要有四条矿脉,M1、M2、M3和M4,主要为M2矿体,约占设计范围内工业储量的86.28%。次为M1矿体,约占11.80%。矿石类型为石英岩磁铁矿石。石人沟铁矿开采境界南北长2.8km,矿体自南向北分布在30号勘探线和5号勘探线之间。通过近三十年来的生产,石人沟铁矿露天开采即将结束,形成长约2500m,宽约260m深约120m的南北向露天坑。露天转地下时预留境界顶柱16m(北区:0～-16m)。矿区以18勘探线为界将采区划分为南、北采区。目前,南区露天开采结束后作为内部排土场,已排满废石,排土标高为140m,废石对南区边帮的稳定起到了一定的维护作用,地下开采条件较好。而北区现在仍在进行露天开采,预计到2005年底露采结束,全部转入地下开采。北区在过渡开采期间,高陡的边帮不能处理,边帮内断层发育,上盘(西部)边帮主要分布F1、F11断层,对边坡切割较严重,影响边坡的稳定性。2.2数值模拟方案根据对石人沟铁矿工程地质条件和计算分析的目的,考虑到采区的几何和外载的对称性,沿矿体走向选取北区12线至16线间400m,垂直矿体走向150m,铅直方向上-12～-60m中段间的范围作为研究对象。根据精度要求,我们所创建的模型体积是研究范围的3～5倍,形状为长方体,其长×宽×高为1200m×480m×260m即沿矿体走向取1200m(x方向),沿垂直矿体走向取480m(y方向)沿铅垂方向取260m(z)方向,从地表+100m至-160m)。尽量将开挖区域置于模型的中间,以减少边界效应的影响。数值模拟的方案:先进行原岩应力的模拟,而后在形成的原岩应力场中进行露天坑的开挖,岩体中的应力受到扰动,形成次生应力场,然后在露天境界顶柱下进行地下第一水平(-16～-60m)的开采,矿房回采次序为先上盘后下盘。本次模拟的采矿方法为分段凿岩阶段矿房法。总体实体模型如图2所示,剖面图如图3。2.3矿岩力学参数本次计算采用的岩体力学参数参照矿山相关的地质资料以及东北大学对石人沟铁矿岩体所作应力测试的结果,经过弱化处理确定。矿岩力学参数见表1。因为本次模型选取的范围内主要为片麻岩,而且主要研究露天坑和地下开挖后岩体的应力、应变的变化情况,故水平方向原岩应力采用σ=μ1−μρgh(μσ=μ1-μρgh(μ为泊松比)进行计算,垂直方向原岩应力采用σ=ρgh计算。2.4计算结果表明的分析(1)应力模拟结果模拟原岩应力时,底部采用位移约束,上面为自由面,铅直方向上的应力按自重应力计算;水平应力可通过侧压力系数与原岩自重应力的乘积得出。原岩应力模拟结果如图4所示。我们假定原岩应力场是“潜在正断型”,即最大主应力(σ1=σz)近于铅直,中间主应力(σ2=σy)和最小主应力(σ3=σx)近于水平,岩体易发生正断型错动。图中显示σz随着深度的增加,应力值呈逐渐增大的趋势,最大压应力为6.94MPa。(2)阶坡面第一主应力增从台阶坡体内的主应力矢量图可以看出,露天开挖后由于卸载作用,岩石产生弹性恢复,沿着台阶坡面第一主应力由上至下逐渐增大,直到坡脚处,坡脚处产生应力集中且有拉应力出现,其发展使得坡脚处发生拉破坏的可能性大大增加。矿房开挖后,主应力大小、方向发生了变化,最大主应力数值增大,主应力方向向坡脚处偏转,易使整个台阶沿主应力方向滑移破坏,降低其稳定性(3)基层组织物应变值mm的变化对比露天坑开挖和矿房开挖后路面边坡的Y方向应变(位移)曲线,露天开挖后从边坡脚到中间,Y方向(竖直方向)的应变值从-2.6×10-3mm变化到0.922×10-3mm,从中间到边缘,应变值变为0.27×10-3mm,矿房开挖后,相应的应变值为-1.79×10-3mm、0.527×10-3mm和0.165×10-3mm。可以看出路面处单元的应变值变化最大,即下沉量最大,但由于数值较小,不会影响路面行车。从路面所在台阶坡体内的主应变矢量图可以看出,露天开挖后,坡脚处的应变较大,向采空方向产生较大的膨胀位移,上部和坡顶应变较小。3降低边坡的变形和位移鉴于石人沟铁矿西部边坡的稳定性现状和近期稳定性的要求,考虑技术经济可行性,提出对边坡监测、疏水、减震爆破、压坡脚等四种技术措施。边坡坡脚处出现的应力集中和偏转,使坡脚发生破坏的可能性增加,因此在无法削坡的情况下,可利用废石压住坡脚,避免出现拉趾破坏;根据岩层的出露情况对一些重点、危险地段实施监测,掌握边坡的变形、位移量随时间的变化,可及时发现潜在的不稳定体;通过设立疏水工程,防止地表水由裂隙进入边坡,降低潜在破坏面附近的水压,可提高潜滑体的稳定性;采用微差爆破分段起爆等技术和优化爆