基于MIDAS/GTS的上向水平分層充填法結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

毛貴林

(衡陽遠景鎢業(yè)有限公司， 湖南 衡陽市 421000)

0 引 言

楊林坳礦區(qū)位于湖南衡南縣川口鎮(zhèn)境內(nèi)，主要為石英細脈帶型白鎢礦床。由于楊林坳礦區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，礦體形態(tài)多變，原有的采礦方法造成了回采率低，貧化率高的現(xiàn)狀。因此，為了解決低效、低產(chǎn)能等問題，楊林坳礦區(qū)根據(jù)已有的地質(zhì)資料情況對采場的具體參數(shù)進行重新確定。通過MIADAS/GTS數(shù)值模擬方法，對不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及采場頂板及充填體的應(yīng)力、變形情況進行模擬分析，通過科學(xué)的方法確定適合楊林坳礦體開采的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 基本假設(shè)

鑒于楊林坳礦區(qū)礦體復(fù)雜多變，為便于建模和分析計算，做出如下假設(shè)[2]：

(1) 礦巖體均為理想的彈塑性體，當(dāng)其達到屈服極限以后，隨著塑性流動，礦巖體強度與體積無改變；

(2) 礦巖體均為局部均質(zhì)、各向同性材料，塑性流動不變材料[3]；

(3) 考慮到礦巖體的脆性，各項數(shù)據(jù)分析所涉及到的所有物理量均不與時間相關(guān)；

(4) 在計算與分析過程中均不考慮礦巖體的硬化或軟化；

(5) 用作計算的數(shù)值模型為底部約束，模型的側(cè)面只考慮豎直方向上的應(yīng)變變形。

1.2 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

MIDAS/GTS軟件進行數(shù)值計算分析的可靠性很大一部分在于準(zhǔn)確的礦巖體力學(xué)參數(shù)。在實際生產(chǎn)過程中，采場頂板主要的破壞形式為拉伸破壞，因此在數(shù)值模擬的過程中將礦巖的抗拉強度設(shè)置為通過實驗室三軸壓縮試驗測得的最小值，而抗壓強度則實驗室測得的平均值，這樣可以在一定程度上減少巖體折減造成不準(zhǔn)確情況的產(chǎn)生，同時還能為正常施工提供安全保證。但是，在實際的地質(zhì)情況下由于節(jié)理、裂隙、地質(zhì)弱面等巖體性質(zhì)的存在，真實的礦巖體抗壓強度及抗拉強度值等參數(shù)明顯低于實驗室通過三軸壓縮試驗測定的礦巖石力學(xué)參數(shù)。為了保障評價的真實性，可采用安全系數(shù)法對采場頂板以及充填礦柱穩(wěn)定性進行判斷。礦山應(yīng)用中安全系數(shù)的定義為礦巖及充填體能承受的最大抗壓強度與實際所受的最大壓應(yīng)力之比[3]。用于本次數(shù)值模擬計算應(yīng)用的礦巖力學(xué)參數(shù)及充填體的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 采場數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

2 上向水平分層充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)以下原則，建立數(shù)值模型：

(1) 本次模擬主要觀察回采過程及采空區(qū)狀況，因此對礦體產(chǎn)狀及礦巖特性進行一定的簡化。簡化后的計算模型礦體平均厚度為15 m，傾角36°；

(2) 通過對不同礦房中礦柱的不同寬度、高度等因素及每種回采間隔的模擬，判斷出整個生產(chǎn)期間最危險的狀況；

(3) 為了保證模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)相對應(yīng)，結(jié)合彈塑性力學(xué)及分析力學(xué)中，開挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開挖范圍的3～5倍。因此，本次計算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的5倍；

(4) 本次模擬不考慮頂?shù)装宓淖兓虼嗽诨夭蛇^程中采空區(qū)的最大空頂高度為實際開采高度；

(5) 本次模擬共對12種不同采場規(guī)格的上向水平分層充填法進行計算，具體規(guī)格如表2所示。

根據(jù)上述原則，建立尺寸為X(寬)×Y(高)×Z(長)=440 m×360 m×2300 m的采場模型。見圖1。

表2 上向水平分層充填法礦房礦柱規(guī)格數(shù)值模型幾何尺寸

圖1 采場模型

2.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是確定合理的礦房尺寸和礦柱寬度，并在此基礎(chǔ)上分析采空區(qū)礦房頂板及充填礦柱的穩(wěn)定性，以選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過模擬，得到各礦房、礦柱的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力及垂直位移(見表3、表4)，模型數(shù)值模擬云圖如圖2所示，根據(jù)模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

表3 采場頂板數(shù)值分析應(yīng)力變形數(shù)據(jù)

表4 充填礦柱數(shù)值分析應(yīng)力變形數(shù)據(jù)

(1) 開采完畢后，實驗?zāi)Ｐ偷闹饕鲁羺^(qū)集中在上盤位置，其中大部分呈現(xiàn)下沉狀態(tài)，且分布均勻，地表豎直方向的位移量均未出現(xiàn)大的差別，均在1～3 cm之間變化，充填體對采空區(qū)地表下沉起到了良好的控制作用。

(2) 模擬過程中，在不同跨度的采場中，拉應(yīng)力及壓應(yīng)力隨著采場的跨度增大而增大，但并不呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時，采場豎直方向的位移量也隨著采場跨度的增大而出現(xiàn)了極大的變化，隨采場跨度的增大豎直位移量也隨之增加。這種情況則說明，隨著采場跨度增大，采場穩(wěn)定性越來越差。

(3) 在未充填前，采場上部圍巖和采空區(qū)頂板均顯現(xiàn)了拉應(yīng)力的變化，雖然拉應(yīng)力波動未超過其極限強度，但部分數(shù)值計算模型中表現(xiàn)出來的安全系數(shù)均不足1.1，這也表明采場存在安全隱患，安全性較差。

(4) 在整個模型開采模擬穩(wěn)定后，大部分空區(qū)頂?shù)装寮俺涮铙w礦柱主要受到拉應(yīng)力破壞，因此在考慮最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力值的條件下，認為安全系數(shù)η1≥1.15時頂板及礦柱抗拉穩(wěn)定性較好；而安全系數(shù)η2只要大于1.0即可認為頂板及礦柱抗壓穩(wěn)定性好[5]。根據(jù)以上條件判斷，6～12號模型模擬結(jié)果不能滿足安全生產(chǎn)要求。根據(jù)開采效率及生產(chǎn)收益等因素，5號模型，即礦柱寬10 m、礦房寬15 m的安全可靠性較好，經(jīng)濟指標(biāo)也較理想，因此推薦該礦區(qū)采用礦柱寬10 m、礦房寬15 m作為上向水平分層充填法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果在開采過程中，發(fā)現(xiàn)部分地段穩(wěn)固性較差，可適當(dāng)減小采場規(guī)格[6]。

圖2 4號模型模擬結(jié)果

3 上向進路充填法進路規(guī)格優(yōu)化

3.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)以下原則，建立數(shù)值模型：

(1) 上向分層進路充填法的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是進路規(guī)格，由于半風(fēng)化礦體穩(wěn)固性較差，根據(jù)礦山實際開挖經(jīng)驗，空區(qū)高度不宜超過3 m[7]。因此，為簡化模擬過程，固定進路高度為3 m，模擬4種不同進路寬度(見表5)；

(2) 進路長度取半風(fēng)化礦體平均厚度22 m；

(3) 為了保證模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)相對應(yīng)，結(jié)合彈塑性力學(xué)及分析力學(xué)，開挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開挖范圍的3～5倍。因此，本次計算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的5倍。

據(jù)此確定模型的尺寸X(長)×Y(高)×Z(寬)為1460 m×260 m×250 m。

表5 上向進路充填法進路規(guī)格數(shù)值模擬幾何尺寸

3.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過MIDAS分析計算，部分進路規(guī)格條件下的應(yīng)力情況如圖3所示。各個進路模擬結(jié)果見表6。

根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，礦體頂板以及人工膠結(jié)礦柱所反映出的最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力均符合安全生產(chǎn)的要求；同時模擬的各模型中礦體頂板所受到的最大拉應(yīng)力均小于其抗拉強度，可以滿足安全生產(chǎn)的要求；而4號模型計算結(jié)果顯示，充填后的人工膠結(jié)礦柱所受到的最大拉應(yīng)力超過其所能承受的抗拉強度。3號模型計算結(jié)果顯示，人工膠結(jié)礦柱的最大拉應(yīng)力接近抗拉強度，因此并不能保障安全生產(chǎn)的要求。我國大部分金屬礦山巷道斷面均為3 m×3 m，因此最終選定2號模型的參數(shù)進行設(shè)計，即半風(fēng)化礦體上向進路充填法進路規(guī)格為3 m×3 m。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)實際生產(chǎn)需要適當(dāng)調(diào)整進路尺寸，以提高進路采礦效率和生產(chǎn)能力。

圖3 模型2模擬結(jié)果

模型序號礦體頂板最大壓應(yīng)力/MPa最大拉應(yīng)力/MPa人工膠結(jié)礦柱最大壓應(yīng)力/MPa最大拉應(yīng)力/MPa18．040．760．6070．01027．440．810．6160．01537．760．830．6170．01947．840．830．6120．023

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬手段，對楊林坳礦區(qū)上向水平進路充填法的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，得出該采礦方法的進路規(guī)格為3 m×3 m；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦柱寬10 m、礦房寬15 m。重新確定的參數(shù)對礦山未來的生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)作用，同時可以提升生產(chǎn)期間的安全性，使礦山生產(chǎn)更加規(guī)范高效。

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