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基于FLAC3D的主層開采對副層底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究①

2022-09-09 05:17楊懷志譚卓英夏志遠(yuǎn)
礦冶工程 2022年4期
關(guān)鍵詞:主應(yīng)力礦體水平

楊懷志,譚卓英,夏志遠(yuǎn),洪 偉

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.城市地下空間工程北京市重點實驗室,北京 100083)

自然崩落法自1895年在美國試驗成功以來,經(jīng)120多年不斷發(fā)展,已在全球許多座礦山中成功使用[1]。它具有效率高、規(guī)模大、鑿巖工程量小、成本低等優(yōu)點,是可與露天開采相媲美的采礦方法。

底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)乎自然崩落法礦山能否正常運行。隨著拉底工程不斷推進(jìn),底部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)巨大的應(yīng)力變化[2?4],不同的拉底順序?qū)Φ撞拷Y(jié)構(gòu)影響不一樣[5],對底部巷道變形破壞機理也不相同[6],需要相應(yīng)的支護(hù)方案來有效控制圍巖變形[7?8]。同時崩落的礦巖以及放礦量對底部結(jié)構(gòu)壓力也有影響[9?11]。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者就底部結(jié)構(gòu)的支護(hù)、放礦以及不同拉底方式等對底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都進(jìn)行了研究分析,但關(guān)于自然崩落法礦山主層開采擾動對副層底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的研究頗少。本文以銅礦峪銅礦為研究背景,通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),隨著主層拉底與放礦,4#礦體副層部分出礦穿脈和裝礦進(jìn)路區(qū)域存在坍塌、掉底等嚴(yán)重的地壓災(zāi)害現(xiàn)象,因此針對主層開采擾動下副層底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開展了研究。

1 工程概況

銅礦峪礦二期工程是一期工程4#、5#主礦體深部的延續(xù)。4#礦體沿斜坡呈巨大透鏡體和板狀,礦體傾向于以分支形式向西延伸。礦體沿走向長980 m,沿傾向延深900 m以上。4#礦體在570~690 m之間平均厚度164 m,最大厚度296 m。570~690 m之間自然崩落法采礦范圍內(nèi)儲量4#礦體占54.6%。二期工程設(shè)計年生產(chǎn)能力600萬噸,主要包括690 m以下530 m中段和410 m中段。4#和5#礦體554 m是530 m中段最主要的一個出礦水平,同時因為2個礦體傾角較緩,為了更好地回收主層底盤礦石,在4#礦體底盤分別布置了584 m和614 m副層出礦水平。主層布設(shè)在礦體上盤,副層布置在礦體下盤,并且主副層都采用自然崩落法進(jìn)行回采,拉底方式為后退式拉底。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)銅礦峪地壓實際情況,選取4#礦體530 m中段614 m副層為例進(jìn)行研究。建立數(shù)值模型長?寬?高=580 m?450 m?350 m,數(shù)值模型共計1 070 014個單元。在614 m副層中布設(shè)了4條出礦穿脈、6條拉底巷道、15條出礦進(jìn)路和15個聚礦溝,614 m出礦水平對應(yīng)模型高度140 m,設(shè)此水平即為模型Z=0的位置,出礦水平距離拉底水平階段高度10 m,主層與副層拉底高度均設(shè)置為12 m;相鄰裝礦進(jìn)路距離15 m,兩相鄰出礦穿脈距離30 m,它們呈55°角相交,分支鯡魚骨布置形式;出礦穿脈尺寸3.8 m×3.2 m,裝礦進(jìn)路斷面設(shè)計為3.8 m×3.2 m,聚礦槽上底13 m×10 m、下底11 m×6.4 m。614 m副層只布置底部結(jié)構(gòu)和拉底層,不布置出礦層,模擬底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及塑性區(qū)的變化。因出礦穿脈、裝礦進(jìn)路和聚礦溝開挖對副層影響較小,554 m主層只布置拉底水平以上的拉底層和落礦層,拉底層垂直走向長160 m,走向方向簡化為推進(jìn)線對角方向,554 m水平拉底底端部標(biāo)高距離模型底部邊界140 m。開挖分兩次進(jìn)行,開挖高度分別為12 m和24 m,由此來模擬主層拉底和落礦。如圖1所示。

圖1 FLAC3D模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 物理力學(xué)參數(shù)及邊界條件

根據(jù)巖石試件的室內(nèi)試驗,并將黏聚力和內(nèi)摩擦角通過Hoek?Brown與Mohr?Coloumb準(zhǔn)則等效換算,最終確定的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

計算模型側(cè)面與底部固定,垂直方向施加初始應(yīng)力,模型中應(yīng)用的實測地應(yīng)力通過應(yīng)力張量轉(zhuǎn)化公式計算獲得,并根據(jù)模型高度將轉(zhuǎn)換后的地應(yīng)力擬合成函數(shù)形式,加載到模型中。關(guān)于Z函數(shù)的數(shù)值模型中施加的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力函數(shù)關(guān)系式為:

2.3 模擬方案

本次建立的主層開采對副層底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響模擬過程為:

1)未采動,原巖應(yīng)力狀態(tài);

2)開挖拉底巷道,出礦穿脈,裝礦進(jìn)路與聚礦槽,形成副層底部結(jié)構(gòu);

3)進(jìn)行副層拉底;

4)主層沿對角線第一次拉底;

5)主層沿對角線第二次拉底;

6)主層進(jìn)行落礦。

3 計算結(jié)果分析

3.1 底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分析

通過上述步驟,對模型進(jìn)行剖面處理,模擬554 m主層拉底12 m與落礦24 m對614 m副層底部結(jié)構(gòu)XOY剖面與XOZ剖面最大主應(yīng)力的影響,如圖2所示。由圖2可知,副層拉底后,隨著拉底推進(jìn),拉底空間下方出礦水平壓應(yīng)力被釋放,拉底范圍內(nèi)壓應(yīng)力比最初底部結(jié)構(gòu)形成時明顯減小,壓應(yīng)力集中逐漸被推到拉底推進(jìn)線附近,拉底完后,壓應(yīng)力向出礦水平四周轉(zhuǎn)移,壓應(yīng)力值達(dá)到21 MPa;開挖后,壓力轉(zhuǎn)移到周圍空間,驗證了壓力拱原理。副層拉底后,拉底空間下方的出礦穿脈和桃形礦柱均處于壓應(yīng)力釋放區(qū);主層拉底后,最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力,其值與副層拉底相比增大了約10%,此時壓應(yīng)力集中區(qū)域主要為裝礦進(jìn)路交匯于穿脈位置處,達(dá)到23.2 MPa,且出礦水平聚礦溝位置有壓應(yīng)力轉(zhuǎn)拉應(yīng)力的趨勢,因此應(yīng)加強聚礦溝支護(hù)。主層拉底后,拉底空間下方底部結(jié)構(gòu)桃形礦柱處于壓應(yīng)力釋放區(qū)的狀態(tài)基本不發(fā)生改變。而出礦水平周圍壓應(yīng)力明顯增加,這是由于主層拉底礦巖崩落后,所形成的壓力拱跨度增加,作用在副層底部結(jié)構(gòu)上,使得底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中;主層崩落礦巖24 m后,614 m副層出礦水平主副層交界處壓應(yīng)力明顯增加,達(dá)到32.1 MPa,同比增長約40%。說明554 m主層在形成貫通前拉底與出礦會導(dǎo)致副層出礦水平附近壓應(yīng)力急劇升高。主層出礦后主層拉底空間壓力拱由副層底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中造成,不利于副層底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.2 底部結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力分析

XOY剖面和XOZ剖面最小主應(yīng)力演化特征如圖3所示。由圖3可知,614 m副層拉底后,最小主應(yīng)力為正,為拉應(yīng)力,主要集中在裝礦進(jìn)路與出礦穿脈交匯處。隨著拉底面積延伸,拉應(yīng)力達(dá)到3.6 MPa。而拉底空間下方桃形礦柱出現(xiàn)拉應(yīng)力集中,達(dá)到4.7 MPa,這主要是礦山水平應(yīng)力大造成的,所以在拉底后,雖然拉底范圍內(nèi)出礦穿脈壓應(yīng)力得到釋放,但拉應(yīng)力增強,這是礦山會反復(fù)來壓的原因。一開始在推進(jìn)線前方來壓是壓力拱造成的壓破壞,后期隨著拉底面積擴(kuò)大,出礦穿脈受到拉剪破壞。桃形礦柱尖部也會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中,所以應(yīng)加強桃形礦柱和出礦穿脈的支護(hù)。在拉底空間頂部也會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中,這有利于頂部礦石崩落。主層拉底后,聚礦溝與出礦進(jìn)路拉應(yīng)力略有減小,為3.2 MPa。拉底空間下方桃形礦柱較拉底前拉應(yīng)力值也略有減小,為4.3 MPa。554 m主層出礦后,614 m副層出礦水平拉應(yīng)力主要還是集中在裝礦進(jìn)路與聚礦溝周圍,與主層拉底后相比變化不大,為3.4 MPa,桃形礦柱拉應(yīng)力集中程度較主層拉底基本保持一致。這說明副層底部結(jié)構(gòu)拉底空間下方出礦水平和桃形礦柱會因主層開采崩落而發(fā)生一定程度拉應(yīng)力減小,并且主層開采面積達(dá)到一定值后,出礦水平和桃形礦柱拉應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。

3.3 塑性區(qū)變化分析

XOY剖面和XOZ剖面塑性區(qū)演化特征見圖4。由圖4可知,614 m副層拉底后,應(yīng)力場重分布,塑性區(qū)主要分布在開挖的出礦穿脈與裝礦進(jìn)路周圍。因礦山最大主應(yīng)力位于水平方向,而出礦穿脈與最大主應(yīng)力呈現(xiàn)大角度斜交,這會對出礦穿脈造成拉剪破壞。桃形礦柱頂部也出現(xiàn)較為明顯的塑性區(qū),需要加強出礦穿脈和桃形礦柱的支護(hù)。554 m主層拉底后,614 m

副層出礦水平端部塑性區(qū)明顯擴(kuò)大,且在出礦水平主副層交界處桃形礦柱塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通的現(xiàn)象,這會導(dǎo)致出礦穿脈和桃形礦柱坍塌。所以主層拉底對副層地壓影響較為顯著。554 m主層出礦后,614 m副層出礦水平塑性區(qū)比拉底后繼續(xù)增加。此時在出礦水平主副層交界處桃形礦柱塑性區(qū)繼續(xù)增大,這會導(dǎo)致出礦穿脈和桃形礦柱發(fā)生拉剪破壞。

4 副層底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理分析

運用自然崩落法開采時,初始應(yīng)力平衡狀態(tài)會被底部結(jié)構(gòu)拉底工程所破壞。拉底工程后,拉底空間上部礦巖會在重力及其構(gòu)造應(yīng)力作用下逐漸崩落,而隨著崩落發(fā)展,圍巖中應(yīng)力將發(fā)生變化,切向應(yīng)力會隨著工程擴(kuò)大而逐漸增大,從而形成圍巖壓力拱,并不斷擴(kuò)展。礦山系統(tǒng)壓力拱計算公式為:

式中b1為采場走向跨度的一半,m;b2為拉底空間周圍壓力拱跨度的一半,m;h0為拉底空間高度,m;φ為采場圍巖內(nèi)摩擦角,(°)。

壓力拱跨度計算示意圖如圖5所示。隨著拉底推進(jìn)和采場內(nèi)上覆巖層崩落高度增加,壓力拱跨度不斷增加。且隨著崩落高度不斷增大,拱角處角度逐漸趨于垂直,由壓力拱理論可知,壓力拱拱角處將形成應(yīng)力集中區(qū)域,隨著礦體不斷崩落,拱角處應(yīng)力由剪應(yīng)力集中變?yōu)閴簯?yīng)力集中。所以副層拉底前方底部結(jié)構(gòu)會始終處于壓應(yīng)力集中區(qū)域。很容易產(chǎn)生底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,雖然拉底之后拉底范圍內(nèi)的出礦穿脈壓應(yīng)力得到釋放,但拉應(yīng)力增強,這是礦山會反復(fù)來壓的原因,這極大地增大了底部結(jié)構(gòu)發(fā)生地壓破壞的概率。主、副層疊加壓力拱效應(yīng)使得主副層拉底推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力集中區(qū)域,因此必須采取措施使壓力拱范圍內(nèi)底部結(jié)構(gòu)強度高于拱角應(yīng)力強度,才能避免推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖5 壓力拱跨度計算示意圖

由副層底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力演化規(guī)律與塑性區(qū)特征分析可知,隨著拉底推進(jìn)和礦石崩落,壓應(yīng)力集中區(qū)域主要為裝礦進(jìn)路交匯于穿脈位置處,且出礦水平聚礦溝位置有壓應(yīng)力轉(zhuǎn)拉應(yīng)力的趨勢。隨著壓力拱逐漸向四周擴(kuò)展,應(yīng)力也隨即朝著周圍傳遞,以拱狀形式包裹著整個采場,導(dǎo)致副層預(yù)先拉底推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。然而副層底部結(jié)構(gòu)拉底空間下方出礦水平和桃形礦柱又會因主層開采崩落而發(fā)生一定程度拉應(yīng)力減小。由壓力拱理論可知,應(yīng)力集中區(qū)域主要在拱角位置處,副層底部結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力也會隨著主層拉底面積擴(kuò)大而逐漸增大。主層拉底面積增大及隨著礦石不斷崩落,壓力拱跨度逐漸增大,使得副層時刻處于主層開采形成的壓力拱拱角應(yīng)力下,地壓破壞伴隨著副層整個回采過程。且主副層形成貫通前,拉底與出礦后會導(dǎo)致副層出礦水平附近壓應(yīng)力急劇升高。均采用自然崩落法開采的主副層便會形成壓力拱疊加現(xiàn)象。疊加壓力拱示意圖如圖6所示。

圖6 疊加壓力拱示意圖

銅礦峪銅礦采用后拉底方式,由數(shù)值模擬結(jié)果和疊加壓力拱理論可知,在采場推進(jìn)線前方預(yù)先掘進(jìn)的底部結(jié)構(gòu)會受采場拱角應(yīng)力擾動產(chǎn)生切向應(yīng)力集中,壓應(yīng)力也會隨著主層開采而逐漸增大,即拉底推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)時刻處于高應(yīng)力集中區(qū)域。同時由于副層開采面積較小,拉底面積不足以使其發(fā)生持續(xù)的有效崩落,隨著主層拉底、崩落,副層時刻受主層開采產(chǎn)生的拱角應(yīng)力影響,再加上副層拉底滯后、出礦緩慢,

5 結(jié) 論

1)拉底推進(jìn)線前方副層底部結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力集中程度隨著主層拉底與落礦工程增大而逐漸增大,從而導(dǎo)致巖體更易發(fā)生剪切破壞。

2)副層底部結(jié)構(gòu)拉底空間下方出礦穿脈和桃形礦柱又會因主層開采崩落而發(fā)生一定程度拉應(yīng)力減小,使其不易超過巖體抗拉強度。

3)隨著主層拉底與落礦,裝礦進(jìn)路、聚礦溝以及桃形礦柱易產(chǎn)生應(yīng)力集中,這些區(qū)域應(yīng)加強支護(hù)。

4)由于疊加壓力拱效應(yīng),副層時刻受主層開采形成的壓力拱拱角應(yīng)力影響,且主副層交界處地壓破壞嚴(yán)重。

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