基于數(shù)值模擬技術(shù)的井筒位置優(yōu)化

吉學(xué)文，劉 輝，潘張偉，王 志，扶海鷹

(1.大興安嶺金欣礦業(yè)有限公司， 黑龍江大興安嶺市 165100;2.馳宏科技工程股份有限公司， 湖南長沙 410000)

1 工程背景

大興安嶺岔路口鉬鉛鋅多金屬礦為斑巖型礦床，主要圍巖是花崗斑巖、石英斑巖、閃長玢巖等。鉬礦體總體呈拉長的穹窿狀，主體隱伏，現(xiàn)已控制礦脈長度2600 m，剖面上控制寬度360～1260 m，最大寬達(dá)1760 m;礦體延深大于1500 m，垂直厚度一般200～900 m，最大為1097.48 m。設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為1650萬t/a，礦體按上下分區(qū)同時開采，采用大直徑深孔空場嗣后充填法和分段空場嗣后充填法自下而上開采，上采區(qū)開采范圍為+20～+440 m之間的礦體，上采區(qū)首采中段為140 m中段，下采區(qū)首采中段為－460 m中段，上下采區(qū)形成獨立的回風(fēng)系統(tǒng)，1#風(fēng)井為上采區(qū)的專用回風(fēng)井筒，設(shè)計服務(wù)年限為20 a。

2 設(shè)計方案

按照井巷布置有關(guān)規(guī)定，若將1#回風(fēng)井位置設(shè)置在全礦區(qū)地表移動界線范圍之外，距離上采區(qū)礦體約為1500 m，同時每個中段回風(fēng)井石門也長達(dá)1500 m。這對于1#回風(fēng)井僅服務(wù)于上采區(qū)礦體開采的回風(fēng)，極大增加了基建投資及通風(fēng)運營成本。為優(yōu)化工程布置，根據(jù)礦體賦存狀況、采礦工藝要求及地表地形，在地表初步確定了回風(fēng)井的3個位置，3個方案的回風(fēng)井距離礦體300～500 m，按照采礦設(shè)計規(guī)范及建構(gòu)筑物設(shè)計要求，通過FLAC3D三維數(shù)值模擬方法，對初步確定的回風(fēng)井3個優(yōu)選方案在不同時期(15 a，20 a)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗證比較分析。

通過FLAC3D分析研究井筒位置的可行性，并與地表移動界限外井筒位置比較，確定合理可行的井筒位置。

3 數(shù)值模擬分析

有限差分法在計算機(jī)數(shù)值模擬中已被廣泛運用。采用拉格朗日法的有限差分?jǐn)?shù)值模擬計算分析軟件已廣泛應(yīng)用于巖土工程中，彌補了類比法和解析法難以實現(xiàn)大范圍礦床開采對井巷工程穩(wěn)定性的分析的不足，同時也更好地考慮介質(zhì)的各向異性、非均質(zhì)特性及其隨時間的變化、復(fù)雜邊界條件和介質(zhì)不連續(xù)性等復(fù)雜地質(zhì)條件。

3.1 基本假設(shè)及模型建立

由于礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響采場穩(wěn)定因素的多樣性，在模型建立和計算過程中采用以下簡化和假設(shè):

(1)階段運輸巷道、主井、通風(fēng)井等大量工程對整個礦山開采穩(wěn)定性有一定的影響，但這些工程對宏觀礦區(qū)開采的穩(wěn)定性影響較小，因此，本次研究不考慮這些工程的影響;

(2)在建模中忽略模擬范圍內(nèi)的節(jié)理、裂隙和斷層，在模擬過程中，選擇具有代表性的3個巖層(風(fēng)化帶巖組，微風(fēng)化帶巖組和未風(fēng)化帶巖組)建立圍巖;

(3)在模擬計算中，忽略爆破震動、地震波等動力因素及地下水對礦巖穩(wěn)定性的影響。

本次模擬過程嚴(yán)格依照設(shè)計開采進(jìn)度計劃，先進(jìn)行風(fēng)井的開挖，然后以年為單位進(jìn)行各個中段的開采和充填，記錄下開采15 a和20 a對1#回風(fēng)井的穩(wěn)定性影響。經(jīng)過折減后的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2 本構(gòu)模型與邊界條件

莫爾－庫侖模型是一種彈塑性本構(gòu)模型，它能反應(yīng)巖土材料剪切破壞特性，并廣泛應(yīng)用于巖土實際破壞分析中，剪切屈服函數(shù)和拉應(yīng)力屈服函數(shù)組成了莫爾－庫侖模型破壞包絡(luò)線。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

采用3Dmine和FLAC3D結(jié)合的方式建立數(shù)值計算模型。先以位置1進(jìn)行建模，根據(jù)礦區(qū)地表等高線模型圖及整個礦體的空間形態(tài)，模型的計算域長×寬取為3200 m×2300 m，高度取－940 m標(biāo)高到地表。采用3Dmine軟件對礦體實體模型進(jìn)行塊處理，同時加上地表、礦體和1#回風(fēng)井的約束條件，最終生產(chǎn)模型的FLAC3D命令流文件，在塊體大小的劃分中，由于模擬范圍大，同時開挖步驟復(fù)雜、中段高度為60 m，最終選用的最大單元格大小為50 m×50 m ×60 m，次級單元格大小為12.5 m ×12.5 m ×20 m，F(xiàn)LAC3D軟件讀取命令流后生成計算模型，位置1的模型共235989個單元。

模型四周采用可滾動的軸支座約束側(cè)向變形，底面采用固定支座邊界類型約束豎直方向變形，頂面為自由面。

模擬計算主要記錄3個不同風(fēng)井位置條件下應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的變化過程，通過對比分析選取合理的風(fēng)井位置。

3.3 模擬結(jié)果

以位置1進(jìn)行分析，主要對模型內(nèi)的位移變化、應(yīng)力值變化規(guī)律和塑性區(qū)分布大小3個方面進(jìn)行分析。

(1)變形規(guī)律分析。開采15 a對回風(fēng)井?dāng)M選1#位置地表造成的沉降約為65 mm，開采20 a的最終沉降值約為85 mm。圖1中，地表最大位移區(qū)域在15 a后出現(xiàn)向右下角移動的趨勢，是由于在模擬開挖過程中，15 a后開挖的80 m和20 m中段的礦體主要集中在風(fēng)井位置的右下角。距井筒腰部最近的礦體約為50 m，見圖2，由于該礦體為獨立礦體，開挖跨度小，開采對井筒的影響不大;下采區(qū)礦體開采20 a，由于中間還隔有近400 m厚度的未采動區(qū)域，由計算結(jié)果可知，此條件下下采區(qū)的采動對1#回風(fēng)井的穩(wěn)定性影響不大;開采15 a和20 a井筒底部的沉降值分別約為80 mm和120 mm。

圖1 20 a地表沉降

圖2 剖面豎向位移云圖

(2)應(yīng)力值變化規(guī)律。井筒開挖，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在井筒的底部，為9.82 MPa，整個開采過程到20 a時，經(jīng)過開挖和回填，模型達(dá)到新的力學(xué)平衡，內(nèi)部應(yīng)力重新進(jìn)行分配，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開采礦體的頂板和礦柱上，如圖3所示，最大主應(yīng)力為15.32 MPa，但是井筒底部受到擾動影響，應(yīng)力變化為8.77 MPa，出現(xiàn)了一定的應(yīng)力釋放。

(3)塑性區(qū)變化規(guī)律分析。在整個開采過程中，礦體及圍巖的剪切破壞和拉伸破壞都主要集中在開采空區(qū)的頂板和礦柱區(qū)域，隨著開采范圍的不斷擴(kuò)大，膠結(jié)充填體邊緣也出現(xiàn)了部分拉伸破壞，但是靠近1#回風(fēng)井位置并未出現(xiàn)塑性區(qū)。

同理，對其它2個方案進(jìn)行分析，得到以下數(shù)值模擬結(jié)論:

圖3 最大主應(yīng)力云圖

(1)開采到20 a時，影響1#回風(fēng)井穩(wěn)定性的主要因素是上采區(qū)的開采擾動，由于上下采區(qū)之間存在厚大的未采動區(qū)域，極大地減弱了下部開采對回風(fēng)井的影響;

(2)模擬結(jié)果對比見表2，同時根據(jù)水平位移，可計算得出3個位置在不同年份條件下的傾斜、曲率和水平變形(見表3)，均符合《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范(GB50771－2012)》要求，結(jié)合井筒與礦體的三維空間位置，位置3變形位移量較小，符合國家建構(gòu)筑物規(guī)范，位置3為最佳選擇。

表2 3個擬選位置的數(shù)值模擬結(jié)果

表3 數(shù)值模擬計算移動變形值

4 井筒優(yōu)化結(jié)果對比

按照有關(guān)礦山設(shè)計規(guī)定，通風(fēng)井設(shè)計在地表移動線以外，風(fēng)井距離礦體較遠(yuǎn)，與風(fēng)井優(yōu)化位置3相比，每個中段增加巷道及通風(fēng)路線1000 m，共有6各中段與通風(fēng)井連接，增加了工程投資5280萬元;增加了通風(fēng)機(jī)功率200 kW，年增加了電耗共1584000度。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)模擬結(jié)果，推薦井筒位置3為最佳方案，減少了通風(fēng)井巷工程量，節(jié)約了工程投資及生產(chǎn)成本。

(2)采用FLAC3D軟件對井筒位置進(jìn)行模擬計算，得到了整個礦區(qū)的采動應(yīng)力場及位移場的分布規(guī)律，說明了該方法的可行性。

(3)由模擬結(jié)果推薦井筒位置3的方案，但數(shù)值模擬的計算結(jié)果都是在現(xiàn)有的巖體力學(xué)參數(shù)、原巖應(yīng)力場及簡化的開采工藝過程條件下進(jìn)行的，由于巖石條件的多變性、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗取樣的局限性、巖體結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，計算所需的巖體力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。因此，建議在生產(chǎn)期，設(shè)置位移監(jiān)測點，監(jiān)測井筒位移的變化。

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