基于FLAC3D的銅坑礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

韋敏康,周祥云

(廣西華錫集團(tuán)銅坑礦, 廣西南丹縣 547207)

基于FLAC3D的銅坑礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

韋敏康,周祥云

(廣西華錫集團(tuán)銅坑礦, 廣西南丹縣 547207)

以銅坑礦92#礦體的T106試驗(yàn)采場(chǎng)為例,運(yùn)用FLAC3D實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化模擬,獲得了不同參數(shù)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明,為獲得優(yōu)化的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng),采場(chǎng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍應(yīng)該控制在頂板厚度為8.0～10.0m,采場(chǎng)跨度為12.0～14.0m。并綜合考慮增加采場(chǎng)跨度和減小頂板厚度的覆蓋巖層下放礦損失貧化的控制技術(shù),確定了最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:采場(chǎng)跨度14.0m,頂板厚度8.0m。

FLAC3D;采場(chǎng)結(jié)構(gòu);參數(shù)優(yōu)化;頂板厚度;采場(chǎng)跨度

0 前 言

銅坑礦是廣西華錫集團(tuán)的重要礦產(chǎn)生產(chǎn)基地,年生產(chǎn)能力達(dá)到200萬(wàn)t,屬特大型的地下有色金屬礦山。其主要賦存有細(xì)脈帶、91#和92#礦體,目前主要的生產(chǎn)礦體為92#礦體,屬于厚大緩傾斜礦體。為實(shí)現(xiàn)高效安全的資源開(kāi)發(fā),提出了誘導(dǎo)頂板崩落的連續(xù)采礦方法[1]以及組合崩落采礦法等新的采礦方法。目前,為適應(yīng)礦山的生產(chǎn)需求,在結(jié)合組合崩落法和頂板誘導(dǎo)崩落連續(xù)采礦法的基礎(chǔ)上,運(yùn)用空?qǐng)鏊煤蟊缆漤敯宓牟傻V方法以實(shí)現(xiàn)資源的安全高效開(kāi)采。

采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是礦山安全高效開(kāi)采的主要技術(shù)參數(shù),其主要通過(guò)物理模擬、數(shù)值分析[2]等方法進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值仿真模擬軟件FLAC3D已經(jīng)在采礦工程、巖土工程、水利工程、交通工程、石油工程、環(huán)境工程等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,工程實(shí)際運(yùn)用表明其適用性較強(qiáng),特別適用于分析漸進(jìn)式破壞、失穩(wěn)以及模擬大變形等情況[3]。

1 模型的建立

92#礦體產(chǎn)于最下部榴江組(D3l)硅質(zhì)巖中,由大量NE向微細(xì)脈、網(wǎng)脈和順層礦化條帶組成,不同產(chǎn)狀的礦脈相互切割,總體呈近EW向展布,傾角為15°～25°,長(zhǎng)1130m,向下延深700m,平均厚度26m。以銅坑礦T106單元試驗(yàn)采場(chǎng)405水平以下

1#采區(qū)為研究對(duì)象,運(yùn)用FLAC3D從力學(xué)響應(yīng)和安全控制的角度實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

1.1 FLAC3D模型與參數(shù)

參照相關(guān)文獻(xiàn)[3],數(shù)值模擬計(jì)算范圍為:沿試驗(yàn)采場(chǎng)405水平以下1#采區(qū)x方向(長(zhǎng)軸方向)礦房長(zhǎng)度的兩側(cè)延伸至144m長(zhǎng);采場(chǎng)y軸方向(跨度方向)即采場(chǎng)左、右邊界,向兩側(cè)延伸至36m寬;采場(chǎng)z軸方向(豎直方向上)以試驗(yàn)采場(chǎng)405水平以下1#采區(qū)礦房的3倍取108m高,垂直范圍為305～413m,模型模擬范圍為144m×36m×108 m(長(zhǎng)×寬×高),模型見(jiàn)圖1。銅坑礦92#礦體的數(shù)值模擬計(jì)算巖體力學(xué)具體選取參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模擬模型

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

1.2 邊界和初始條件

根據(jù)長(zhǎng)沙礦山研究院于1985年在銅坑礦405 m水平的3個(gè)原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果:水平方向應(yīng)力σ1=25.40MPa和σ2=17.10MPa;豎直方向應(yīng)力σ3=7.30MPa。計(jì)算得邊界初始地應(yīng)力條件為:

式中,σ1和σ2分別為2個(gè)水平方向的應(yīng)力;σ3為豎直方向上的應(yīng)力;γ為巖體的容重;H為測(cè)點(diǎn)至地表的距離。并受到405m水平以下,水平原巖應(yīng)力將以較緩慢的形式增加,即側(cè)壓系數(shù)λ也逐漸減小。因此,本文假設(shè)不同水平的應(yīng)力分布情況可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用等差分布[3],見(jiàn)表2。

表2 初始地應(yīng)力與水平關(guān)系

模型邊界條件(見(jiàn)圖1)為上部為應(yīng)力邊界,底部為固定約束,兩側(cè)施加水平位移約束[3]。對(duì)于模型的上部邊界簡(jiǎn)化為均勻荷載Q,如式2[4]:

式中:g——重力加速度值,N/kg;

γ——覆蓋巖層的容重值,kg/m3;

H——模型頂部的深度值,m。

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)采場(chǎng)的地形、地質(zhì)分布情況以及銅坑礦開(kāi)采相類似采場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn),在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)判定時(shí),分別對(duì)采空區(qū)頂板、切頂硐室周圍及間柱的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力,z方向位移及塑性區(qū)分布進(jìn)行具體分析,綜合安全率以得出最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。為簡(jiǎn)化優(yōu)化計(jì)算的工作量,假定采場(chǎng)的長(zhǎng)度一定(48.0m)和采場(chǎng)的高度一定,通過(guò)選取不同的采場(chǎng)跨度及頂板的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)值模擬,分析不同采場(chǎng)跨度及頂板厚度對(duì)頂板、放頂硐室周圍及間柱穩(wěn)定性的影響來(lái)確定最優(yōu)的采場(chǎng)跨度及頂板安全厚度。設(shè)計(jì)模擬方案共12種,見(jiàn)表3。

2.2 方案比較

試驗(yàn)采場(chǎng)中的頂板、放頂硐室周圍及間柱等關(guān)鍵位置是研究地壓變化規(guī)律的重點(diǎn)部分,各方案下這些位置的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、z方向位移及位移矢量分布、塑性區(qū)分布、安全率以及是否出現(xiàn)拉應(yīng)力等情況見(jiàn)表4～表6。

表3 不同跨度和頂板厚度參數(shù)值

定義安全率A[5]:

式中,A為安全率;σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa;c為粘聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,°。從理論上說(shuō),安全率A越大,巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)就越好。安全率A＞1,單元穩(wěn)定;安全率A＜1,則單元破壞;安全率A=1,則單元處于極限破壞狀態(tài)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),地下工程的安全系數(shù)取值為1.1～1.3,綜合考慮單元的安全儲(chǔ)備系數(shù),安全率取值的范圍最小值不小于1,最大值不小于1.1。

表4 不同跨度下采場(chǎng)開(kāi)采應(yīng)力響應(yīng)的頂板響應(yīng)分析

表5 不同跨度下采場(chǎng)開(kāi)采切頂硐周響應(yīng)分析

表6 不同跨度下采場(chǎng)開(kāi)采間柱響應(yīng)分析

由表4可知,隨著頂板厚度的增加,最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的值相應(yīng)減小,最大位移矢量值也相應(yīng)減小;在塑性區(qū)范圍方面,當(dāng)頂板厚度為6.0m時(shí),頂板全部產(chǎn)生了塑性區(qū),且隨著頂板厚度的增大,塑性區(qū)范圍隨著減小;安全率方面,其值均大于1,頂板為10.0m和12.0m厚度時(shí)安全率值相等,因此可以認(rèn)為,頂板厚度大于10.0m后,厚度值對(duì)安全率的影響并不大。而隨著跨度的增加,應(yīng)力環(huán)境進(jìn)一步得到惡化,總體上應(yīng)力值增加,但在頂板上的最大位移相對(duì)減少,這主要是由于受到水平地應(yīng)力的作用,頂板產(chǎn)生向上的擠壓效應(yīng)而形成的。而在安全率方面,跨度的增加相應(yīng)地減少了安全率值,趨向于不安全的方向發(fā)展。

對(duì)于切頂硐室,其安全直接關(guān)系到后續(xù)的頂板誘導(dǎo)崩落的安全作業(yè),由表5可知,頂板厚度的增加,有效地改善了切頂硐室的應(yīng)力環(huán)境?？傮w上,在切頂硐周最小主應(yīng)力均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),其值隨著頂板厚度的增加而減小,頂板厚度為6.0m時(shí),放頂硐室周圍最大主應(yīng)力也出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),這將對(duì)放頂硐室的穩(wěn)定性造成一定的影響,形成拉應(yīng)力的破壞區(qū)域;z方向位移及位移矢量方面,隨著頂板厚度的增大,位移值也相應(yīng)減小;塑性區(qū)方面,頂板厚度為6.0m時(shí),放頂硐室周圍全部出現(xiàn)塑性區(qū);安全率方面,除了頂板厚度為6.0m時(shí)以外,其余安全率均大于1,頂板厚度為8.0m和10.0m時(shí)安全率則相差不大。伴隨著跨度的增加,切頂硐周的應(yīng)力值進(jìn)一步增加,安全率降低。

起支撐作用的間柱,受到采動(dòng)應(yīng)力的作用,并在臨空面的作用下,產(chǎn)生了大量的拉應(yīng)力區(qū)。分析表6可知,隨著頂板厚度的增大,最小主應(yīng)力隨之減小,間柱靠近采空區(qū)附近出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),頂板厚度為6.0m時(shí)出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大,其值達(dá)到了2 MPa,其余頂板厚度時(shí),拉應(yīng)力的值相差不大,為0.78～0.79,且與極限拉應(yīng)力值(2.4MPa)相差較大;z方向位移及位移矢量方面,隨著頂板厚度的加大,位移值隨之減小;塑性區(qū)方面,除了頂板厚度為6.0m時(shí)全部產(chǎn)生塑性區(qū)之外,其余的塑性區(qū)范圍,隨著頂板厚度的增加而減小;安全率方面,頂板厚度為6.0m時(shí)安全率小于1,頂板厚度為其余3個(gè)值時(shí),安全率有部分小于1,這主要是采空區(qū)周圍存在小部分拉應(yīng)力區(qū)的緣故,但對(duì)間柱的整體穩(wěn)定性影響較小。在跨度方面,隨著跨度的增加,應(yīng)力值隨之增加,且安全率降低。

2.3 結(jié)果分析與參數(shù)選擇

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析和經(jīng)驗(yàn)類比,為獲得較好的采礦經(jīng)濟(jì)效益,采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值向最大化發(fā)展。從頂板的厚度分析發(fā)現(xiàn),頂板厚度為6.0～8.0m時(shí),主要出現(xiàn)了大量的塑性區(qū),這對(duì)采場(chǎng)的生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響,特別是頂板厚度為6m時(shí),塑性區(qū)的分布范圍基本覆蓋了整個(gè)支撐作用的區(qū)域。而跨度達(dá)到16.0m時(shí),由于跨度的增大,導(dǎo)致間柱出現(xiàn)了較大區(qū)域的塑性區(qū),且大部分間柱的安全率值均小于0.9,從這兩方面綜合考慮,可以認(rèn)為跨度為16.0m時(shí)采場(chǎng)是不穩(wěn)定的。對(duì)于12.0m跨度及14.0m跨度的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值均符合一定的范圍,即使是有一小部分值超出這個(gè)界限,但是其影響范圍很小,在分析時(shí)可以忽略。綜合數(shù)值模擬結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn),跨度為14m時(shí),計(jì)算結(jié)果變化規(guī)律性不明顯,并且呈現(xiàn)出應(yīng)力環(huán)境惡化的趨勢(shì),因此,選取跨度為12.0m,頂板厚度的范圍確定為10.0～12.0m。

從采礦工藝和覆蓋巖層下的出礦低貧化損失控制措施分析可知,在一定的跨度結(jié)構(gòu)空間下,頂板的厚度將決定礦石的覆蓋巖層厚度,因此,減少頂板厚度可以有效控制礦石的貧化損失和降低生產(chǎn)成本,選擇頂板的厚度為10.0m。

3 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬顯示,在可變的頂板厚度和跨度的條件下,采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化可以影響間柱、切頂硐室和頂板的應(yīng)力變化和安全率,并與頂板的厚度呈正相關(guān)性,與跨度呈負(fù)相關(guān)性。

(2)通過(guò)數(shù)值分析和低貧損控制措施的分析,確定合理的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)推薦值為:頂板厚度10.0m,采場(chǎng)跨度12.0m。

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2012-05-09)

韋敏康(1974-),男,廣西大化人,工程師,主要從事礦山安全生產(chǎn)管理工作,Email:weimkdh@163.com。