地下金屬礦山回采過程中的穩(wěn)定性優(yōu)化分析

歐陽治華 劉夏臨 王紀鵬 李 苗

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院)

我國礦產(chǎn)資源豐富，開采歷史悠久，地下礦山點多面廣，特別是鄂東地區(qū)的中小型礦山，開采技術落后，大多采用空場法開采，加上安全保障措施不健全，導致地下形成大量的采空區(qū)。這將必然涉及到在已有大型的采空區(qū)作業(yè)面上進行采礦作業(yè)，由此帶來的問題是:隨著后期采礦作業(yè)諸如爆破作業(yè)等，勢必會擾動已經(jīng)應力平衡的巖體，造成應力的重新分配，在應力重分布的過程中，應力集中區(qū)域的高應力在釋放應力的過程中很有可能發(fā)生坍塌、片幫冒落等危險，威脅礦山的安全生產(chǎn)。巖石力學問題通常無法用解析方法簡單求解，相比之下，數(shù)值法具有較廣泛的適用性，它不僅能模擬巖體的復雜力學與結(jié)構(gòu)特性，也可方便地分析各種邊值問題和施工問題，并對工程進行預測和預報［1］。

基于上述認識，本研究通過利用ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件，對湖北省大冶市正興鐵礦殘礦回收過程中的危險采空區(qū)的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬優(yōu)化預測研究，將采礦作業(yè)對采空區(qū)的影響定量化研究，研究不同工況下對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，旨在為礦山安全生產(chǎn)過程中采空區(qū)的穩(wěn)定性給予科學的預測，同時結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測預警技術，為聲發(fā)射監(jiān)測布點提供科學依據(jù)，對礦山的殘礦安全生產(chǎn)起到指導作用，并在實踐中予以推廣應用。

1 工程概況

大冶市華靈集團正興鐵礦位于湖北省大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)宮臺村，是該公司的主要礦山之一。該礦山進行了10余a的開采，目前已經(jīng)采至－302 m水平。

由于礦山資源枯竭，最近幾年對采空區(qū)邊幫上的殘礦回收使采空區(qū)進一步擴大，再加上沒有科學規(guī)劃，導致采場受到不同程度的破壞，應留的礦柱未留，形成了大小不等錯綜復雜的采空區(qū)。通過對該礦長期的聲發(fā)射監(jiān)測，顯示正興鐵礦2號礦房－185 m水平采區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)較活躍，存在著較大的安全隱患:其采空區(qū)規(guī)模已達到長約100 m，寬約30 m和高約30 m的巨大空區(qū)，只有1個半徑為3.2 m左右的礦柱支撐;而且該水平的采空區(qū)向上有一部分與－169 m水平采空區(qū)采通，向下有一部分與－205 m水平采空區(qū)采通。這使得應力分布情況比較復雜，嚴重威脅著礦山的安全生產(chǎn)［2］。鑒于此，有必要專門對該水平(－185 m)的應力分布進行三維數(shù)值模擬，探究采空區(qū)的應力分布情況，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測技術，在應力較大區(qū)域布置聲發(fā)射監(jiān)測點，為安全預警提供一定的參考依據(jù)，進而更好地指導礦山的安全生產(chǎn)。

2 有限元數(shù)值模擬分析

礦巖物理力學參數(shù)選取的合理性在一定程度上決定了數(shù)值模擬計算結(jié)果的可靠程度。通過現(xiàn)場踏勘取樣，進行相關點荷載等試驗分析，同時綜合考慮礦巖的結(jié)構(gòu)類型、完整程度、節(jié)理條件(粗糙度、間距)、巖樣裂隙情況、地下水等條件的綜合影響，經(jīng)過換算(分別去掉最高值和最低值)，最后結(jié)合RMR分類和Q分類提供的參考值，其單軸抗壓、抗拉強度取值應比試驗所得巖石的單軸抗壓強度適當減小等原則，確定礦巖的物理力學參數(shù)表1［3］所示。

表1 礦巖主要物理力學參數(shù)［4-5］

利用三維有限元計算軟件ANSYS Workbench模塊，基于對正興鐵礦的現(xiàn)場踏勘及礦方提供的各水平現(xiàn)狀圖，本預警研究建立了一個3D模型。本研究項目中，3D模型中定義X坐標軸指向正東方向，Y坐標軸指向正北方向，Z坐標軸為垂直方向，有限元模型范圍的確定是基于圣維南原理，為了使應力的分布只影響附近的應力分布，計算模型的幾何尺寸大致取為礦區(qū)開挖體最大尺寸的3倍到5倍，這樣可以保證模型的周邊應力狀態(tài)為初始應力狀態(tài)，最后確定的模型尺寸為1 800 m×1 200 m×600 m。模型的邊界約束條件設置為在側(cè)面為水平約束，模型的底部設置垂直約束。通過網(wǎng)格劃分統(tǒng)計，模型單元網(wǎng)格劃分后共計單元324 514個，節(jié)點總數(shù)593 307個，滿足一般數(shù)值分析的基本要求。

3 計算結(jié)果及分析

圖1、圖2是正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)的應力分布云圖，圖3安全系數(shù)分布云圖。

圖1 －185 m水平最小主應力

圖2 －185 m水平最大主應力

圖3 礦－185 m水平安全系數(shù)

計算結(jié)果表明，－185 m水平采空區(qū)頂板上下重疊部分有較大的拉應力存在，尤其是二井采區(qū)和三井采區(qū)之間的圍巖和頂板部分，即位于三井－185 m采空區(qū)的西南角和二井－185 m采空區(qū)的東北角之間，這主要是因為該水平采空區(qū)上下空間位置有重疊，導致應力在重分布過程中出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象，由安全系數(shù)分布云圖也可以看出，這一區(qū)域的安全系數(shù)偏低。

4 設計優(yōu)化模擬

設計探索是功能強大、方便易用的多目標優(yōu)化及穩(wěn)健性設計模塊，實際工程中通常需要多個優(yōu)化目標，以使得產(chǎn)品的總體性能較好，而不僅是某一項指標最好［4-6］。

對正興鐵礦－185 m水平二井采區(qū)單獨建立三維有限元模型，利用Design Exploration中的實驗設計DOE和響應面技術來描述設計變量和采空區(qū)穩(wěn)定性之間的關系?？紤]到二井采區(qū)預留有1根礦柱，回采主要是在滿足安全的前提下對礦柱進行回采，而且隨著采礦作業(yè)的進行，圍巖的巖石力學參數(shù)必然會受到擾動影響而有所降低，所以該優(yōu)化的設計變量選取為礦柱的半徑R，圍巖的抗壓強度和抗拉強度，輸出的優(yōu)化參數(shù)為圍巖頂?shù)装宓淖畲笾鲬Γ钚≈鲬桶踩禂?shù)。

在目標驅(qū)動優(yōu)化中，考慮到圍巖的弱化折減及礦山實際的回采程度，在設計參數(shù)屬性的表格里設置礦柱半徑的接受范圍是1.5～3.2 m，圍巖抗壓強度的接受范圍是48～57 MPa，圍巖的抗拉強度的接受范圍是3.5～4.3 MPa，最后軟件列出16種組合優(yōu)化設計方案，研究重點探討不同設計方案對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，所以問題主要集中于采空區(qū)安全系數(shù)對設計變量的響應，至于對圍巖體重的應力，也可以由安全系數(shù)反映到采空區(qū)的穩(wěn)定性上，最終優(yōu)化計算給出的結(jié)果如表2所示。

表2 礦優(yōu)化設計最優(yōu)響應結(jié)果

從該響應結(jié)果可以看出，隨著后續(xù)的采礦作業(yè)，圍巖應力的適當弱化是允許的，這也符合實際情況，但在回采過程中，為防止出現(xiàn)過度弱化造成的災難性后果，必須采取響應的監(jiān)測預防措施來保證工作區(qū)的安全。分析響應結(jié)果可知，該采空區(qū)礦柱直徑最多只能回采1.9 m左右，盡管如此，考慮到安全系數(shù)只有1.57，仍處于比較危險的狀態(tài)。

5 聲發(fā)射監(jiān)測應用

大量研究資料表明，材料在受力作用而發(fā)生變形或斷裂時，產(chǎn)生的應變能以彈性波形式釋放出的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)，巖石承受的外載荷發(fā)生變化時，以能量形式釋放出來［7-9］。巖石結(jié)構(gòu)在破壞之前的能量釋放的強度是隨著結(jié)構(gòu)的臨近失穩(wěn)而變化的，每一次聲發(fā)射現(xiàn)象及微震的產(chǎn)生都包含著豐富的巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的信息，通過對接收到的信號進行處理和分析，可將聲發(fā)射參數(shù)作為評價巖體穩(wěn)定性的依據(jù)，因此，可以利用巖體聲發(fā)射現(xiàn)象的這一特點對圍巖的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，進而預測地下金屬礦山圍巖的塌方、冒頂、片幫、滑坡和巖爆等地壓現(xiàn)象。因此在回采過程中必須結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測，實時收集聲發(fā)射信號，預防事故的發(fā)生。

監(jiān)測設備為YSSC型巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀。該聲發(fā)射監(jiān)測儀利用巖體聲發(fā)射的特點，監(jiān)測聲發(fā)射的頻度、強度、能量，為評價和預測巖體的穩(wěn)定性提供依據(jù)。同時相對其他變形監(jiān)測方法而言，聲發(fā)射監(jiān)測可提前獲取信息，對預報巖體冒落等災害性事故而言，提供了更多的寶貴防災時間［2］。

基于上述有限元計算結(jié)果及Design Exploration的優(yōu)化設計結(jié)果，在危險區(qū)域，即位于三井－185 m采空區(qū)的西南角和二井－185 m采空區(qū)的東北角之間布置聲發(fā)射監(jiān)測點，利用聲發(fā)射檢測儀對該區(qū)域進行監(jiān)測，具體監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖4 －185 m聲發(fā)射監(jiān)測布孔

6 結(jié)論

(1)為了避免正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)頂板和圍巖的應力狀態(tài)進一步惡化，嚴禁進一步擴大－185 m水平采空區(qū)，對礦柱的回踩最多只能在原來的基礎上回采1.9 m左右，并且在礦柱回采過程中，必須同時對危險區(qū)域進行聲發(fā)射監(jiān)測，密切關注危險區(qū)域的聲發(fā)射信號。

(2)正興鐵礦－185 m水平采空區(qū)的寬度方向及三井西南部與二井東北部之間的圍巖狀況還要加強現(xiàn)場踏勘和人工巡視。在三井采區(qū)的西南角和二井采區(qū)的東北角各增設1個監(jiān)測點，監(jiān)測該區(qū)域巖體中的聲發(fā)射信號，預防發(fā)生安全事故。該方法已在實際中應用，實踐表明該方法是有效的。

(3)通過對金屬礦山復雜采空區(qū)條件下的有限元穩(wěn)定性分析，結(jié)合有限元穩(wěn)定性分析結(jié)果，利用Design Exploration的優(yōu)化設計，可以較準確地顯示采空區(qū)的危險區(qū)域以及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的定量判據(jù)，進而可采取有針對性的措施，以此更好地指導安全生產(chǎn)。這種分析方法，對于受地方經(jīng)濟驅(qū)動的中小型礦山的回采可以起到一定的借鑒作用。

［1］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

［2］ 武漢科技大學.華靈礦業(yè)集團公司正興鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測分析報告［R］.武漢:武漢科技大學，2012.

［3］ 肖 術，歐陽治華，汪青松，等.正興鐵礦采空區(qū)聲發(fā)射監(jiān)測應用研究［J］.有色金屬，2012，64(2):84-88.

［4］ 歐陽治華，姚高輝.基于應變耦合滲流模型的裂隙巖體彈性模量研究［J］.金屬礦山，2008(3):65-68.

［5］ 云 峰，袁宏成.巖體力學參數(shù)的估算［J］.西部探礦工程，2003，15(11):39-40.

［6］ 許京荊.ANSYS13.0 Workbench數(shù)值模擬技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［7］ 秦四清，李造頂，張倬元，等.巖石聲發(fā)射技術概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.

［8］ 王組蔭.聲發(fā)射技術基礎［M］.濟南:山東科學技術出版社，1989.

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