分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬研究

仵鋒鋒

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410012)

分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬研究

仵鋒鋒

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410012)

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化對提高礦山生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和保證礦山生產(chǎn)安全起著重要的作用。根據(jù)某礦山開采技術(shù)條件，針對采礦方法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用FLAC數(shù)值模擬軟件模擬了不同采場跨度條件下的最大拉應(yīng)力、豎直位移、塑性破壞區(qū)范圍的大小，確定采場跨度最優(yōu)為10 m，為礦山的安全高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

采場結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；FLAC；采場跨度

0 前 言

江蘇某礦山原采用上向點(diǎn)柱分層充填采礦法開采,不但留有頂?shù)字?還留有間柱及點(diǎn)柱,礦山總損失率一般為20%左右。在資源日益稀缺的條件下,有必要對采礦技術(shù)進(jìn)行改造,達(dá)到提高礦石回采率和改善井下作業(yè)條件的目的。通過研究,采用分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法作為該類礦體開采方案[1]。

采用分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法時(shí),因?yàn)橄仁遣捎每請龇ɑ夭?嗣后才進(jìn)行充填,在回采結(jié)束至充填體養(yǎng)護(hù)達(dá)到受力要求之前,采場的穩(wěn)定性至關(guān)重要,因此選取合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)非常關(guān)鍵,它不僅僅影響到礦山的生產(chǎn)安全,而且也會對礦山的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要的影響[2-5]。

本文采用FLAC有限差分軟件[6-8],選取合理的邊界條件進(jìn)行不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的最大拉應(yīng)力、最大豎直位移和塑性變形的數(shù)值計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),為礦山的安全和高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值方案

根據(jù)礦體賦存特點(diǎn),采場垂直礦體走向布置,采場的長度為礦體的厚度,最大50 m,一般為10～47 m,采場寬度根據(jù)礦體的穩(wěn)固性而定,可取10～20 m,采場高度為階段高度,一般為50 m。

按照上述采場劃分情況,設(shè)計(jì)6個(gè)數(shù)值模型進(jìn)行不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下采場回采過程中的穩(wěn)定性情況模擬。數(shù)值模型如下:

(1)模型Ⅰ——采場規(guī)格(長×寬):30 m×10 m,頂板暴露面積300 m2；

(2)模型Ⅱ——采場規(guī)格(長×寬):40 m×10 m,頂板暴露面積400 m2；

(3)模型Ⅲ——采場規(guī)格(長×寬):50 m×10 m,頂板暴露面積500 m2；

(4)模型Ⅳ——采場規(guī)格(長×寬):30 m×15 m,頂板暴露面積450 m2；

(5)模型Ⅴ——采場規(guī)格(長×寬):40 m×15 m,頂板暴露面積600 m2；

(6)模型Ⅵ——采場規(guī)格(長×寬):50 m×15 m,頂板暴露面積750 m2。

2 數(shù)值模型及巖體力學(xué)參數(shù)

進(jìn)行數(shù)值模擬,必須建立相應(yīng)的三維數(shù)值模型,數(shù)值模型的計(jì)算范圍必須足夠大,同時(shí)還要考慮到計(jì)算時(shí)間、計(jì)算機(jī)性能和模擬效果,本次模擬選取模型尺寸為500m×120m×600m。三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型圖

巖體力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。礦山巖體力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果的分析

3.1 頂板最大拉應(yīng)力

根據(jù)FLAC數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,數(shù)值模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的頂板最大拉應(yīng)力如圖2～圖7所示。

圖2 模型Ⅰ頂板最大拉應(yīng)力

圖3 模型Ⅱ頂板最大拉應(yīng)力

圖4 模型Ⅲ頂板最大拉應(yīng)力

通過采場頂板最大拉應(yīng)力的數(shù)值模擬,采用分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法進(jìn)行開采模擬時(shí),應(yīng)力在采場頂板中部和端部靠近采場頂板處集中現(xiàn)象比較明顯。當(dāng)采場寬度為10 m時(shí),模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ中采場頂板中部和端部靠近采場頂板處最大拉應(yīng)力在1.1～2.2 MPa范圍；當(dāng)采場寬度為15 m時(shí),模型Ⅳ、模型Ⅴ、模型Ⅵ中采場頂板中部和端部靠近采場頂板處最大拉應(yīng)力在1.1～2.3 MPa范圍。

圖5 模型Ⅳ頂板最大拉應(yīng)力

圖6 模型Ⅴ頂板最大拉應(yīng)力

圖7 模型Ⅵ頂板最大拉應(yīng)力

3.2 頂板豎直位移

根據(jù)FLAC數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,數(shù)值模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ頂板豎直位移見圖8～圖13。

圖8 模型Ⅰ豎直位移

圖9 模型Ⅱ豎直位移

圖10 模型Ⅲ豎直位移

圖11 模型Ⅳ豎直位移

通過采場頂板豎直位移模擬,分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法進(jìn)行開采模擬時(shí),隨著采場跨度的增加,采場豎直位移逐漸增加,采場頂板中部和端部靠近采場頂板處垂向位移量最大。當(dāng)采場寬度為10 m時(shí),模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ中采場頂板中部和端部靠近采場頂板處豎直位移均為0～1.1 cm,位移量??；當(dāng)采場寬度為15 m時(shí),模型Ⅳ、模型Ⅴ、模型Ⅵ中采場頂板中部和端部靠近采場頂板處垂向位移為2.1～4 cm,位移量大。

圖12 模型Ⅴ豎直位移

圖13 模型Ⅵ豎直位移

3.3 塑性破壞區(qū)

根據(jù)FLAC數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,數(shù)值模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ塑性破壞區(qū)分布分別見圖14～圖19。

圖14 模型Ⅰ塑性破壞區(qū)

通過對頂板塑性破壞區(qū)的數(shù)值模擬,分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法進(jìn)行開采模擬時(shí),隨著采場跨度的增加,采場塑性區(qū)范圍逐漸增加,以剪破壞為主,主要分布在采場頂板中部和端部靠近采場頂板處。當(dāng)采場寬度為10 m時(shí),模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ中采場范圍塑性區(qū)存在較少,采場發(fā)生破壞范圍明顯?。划?dāng)采場寬度為15 m時(shí),模型Ⅳ、模型Ⅴ、模型Ⅵ中采場范圍塑性區(qū)分布較多,范圍大,主要集中在采場端部靠近頂部范圍,采場發(fā)生了較大破壞。

圖15 模型Ⅱ塑性破壞區(qū)

圖16 模型Ⅲ塑性破壞區(qū)

圖17 模型Ⅳ塑性破壞區(qū)

圖18 模型Ⅴ塑性破壞區(qū)

4 結(jié) 論

通過以上數(shù)值模擬,對比分析各方案模型模擬計(jì)算結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:

(1)礦體的開采使得應(yīng)力重分布,開采區(qū)的應(yīng)力發(fā)生了釋放轉(zhuǎn)移,在采場頂板局部產(chǎn)生了應(yīng)力集中,將引起采場頂板的破壞；

圖19 模型Ⅵ塑性破壞區(qū)

(2)通過數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)采場的應(yīng)力集中區(qū)主要分布在采場頂部和端部靠近頂部范圍,且隨著采場寬度的增加,拉應(yīng)力的增加不是很明顯,但是豎直位移和采場塑性區(qū)范圍顯著增加,采場寬度為10 m時(shí),塑性區(qū)范圍明顯少于采場寬度15 m時(shí),穩(wěn)定性也相對較好；

(3)通過上述分析,采用分段崩礦階段空場嗣后充填采礦法開采的采場寬度宜采用10 m,采場長度取礦體的厚度。

[1]《采礦設(shè)計(jì)手冊》編寫委員會.采礦設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989:1145.

[2]陽國盛,胡訓(xùn)華.分段鑿巖階段空場嗣后干式充填采礦法在黃沙坪礦的應(yīng)用[J].湖南有色金屬,2008,24(6):1-5.

[3]韋華南,古德生.某礦分段鑿巖階段礦房嗣后聯(lián)合充填采礦法試驗(yàn)研[J].黃金,2010,31(6):23-28.

[4]孟中華,王聚永.分段鑿巖階段礦房法在錫鐵山鉛鋅礦的應(yīng)用和改進(jìn)[J].采礦技術(shù),2006(3):234-236.

[5]洪增友.分段鑿巖階段礦房法爆破工藝的實(shí)踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2000(5):45-47.

[6]劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.

[7]吳賢振,饒運(yùn)章.FLAC3D軟件在優(yōu)化深部高硫高品位礦體采場結(jié)構(gòu)參數(shù)中的運(yùn)用[J].有色金屬(礦山部分),2004(6):13-15.

[8]韋敏康,周祥云.基于FLAC3D的銅坑礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].采礦技術(shù),2012,12(5):4-6.

2015-06-01)

仵鋒鋒(1982-)，男，甘肅慶陽人，采礦工程師，碩士，主要從事金屬礦山開采技術(shù)的研究工作，Email: 359661423＠qq.com。