鋁土礦軟弱頂板變形規(guī)律的數(shù)值模擬研究

雍偉勛，王 凱

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650093)

0 前 言

鋁土礦資源是我國重要的礦產(chǎn)資源，近年來，隨著我國露天可開釆鋁土礦資源的逐漸減少，鋁土礦地下開釆已成為必然趨勢。然而，埋藏較深的鋁土礦資源中，礦床大部分為緩傾斜沉積礦床。礦體直接頂板通常為粘土頁巖、炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)粘土巖等巖石，這類礦床頂板自身穩(wěn)固性較差，鋁土礦的頂板具有明顯的分層現(xiàn)象[1-5]。多數(shù)情況下以礦體直接頂板粘土巖或者鋁土巖和間接頂板白云巖的分層出現(xiàn)，在個別采場會有粘土巖和鋁土巖交互出現(xiàn)的三分層和四分層現(xiàn)象。頂板問題一直是影響鋁土礦礦體開采的重要因素之一，嚴(yán)重制約了礦山的生產(chǎn)能力，導(dǎo)致礦山的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)和社會效益較差。

某礦山采場礦體、直接頂板和間接頂板進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查和基礎(chǔ)地質(zhì)資料的分析和研究發(fā)現(xiàn)，采場礦體、直接頂板和間接頂板的各分層之間基本都沒有充填物質(zhì)，各分層之間基本都是直接接觸。根據(jù)采場頂板這一特征現(xiàn)象,應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對鋁土礦進(jìn)行模擬研究，進(jìn)行鋁土礦采場頂板的力學(xué)建模和計算分析[6-10]。

1 數(shù)值模型的建立

為了消除模型的邊界效應(yīng)，左右邊界向兩邊延伸30 m，最終建立的計算模型示意圖如圖1所示。

圖1 礦體走向方向布置模型

圖1中，h1為采場護(hù)頂?shù)V壁的厚度，h2為采場直接頂板粘土巖和鋁土巖的厚度，h3為采場間接頂板白云巖的厚度，L為采場相鄰礦石點柱中心之間的跨度。

模型的計算邊界條件為：用FLAC3D里的FIX命令將模型X和Y方向法向位移約束，模型底部為固定邊界，頂部為自由邊界，如圖2。

圖2 邊界條件示意

2 參數(shù)選取與計算方案

采用莫爾—庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。計算模型除地表面設(shè)為自由邊界外，模型底部約束垂直位移，其它邊界均約束水平位移。巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)資料情況，為了更好的分析鋁土礦直接頂板粘土巖，護(hù)頂?shù)V壁鋁土礦的厚度以及礦石點柱跨度對鋁土礦頂板變形破壞的影響，現(xiàn)設(shè)計如下3種模擬方案，如表2所示。

表1 折減后的巖石物理力學(xué)參數(shù)

表2 模擬計算方案設(shè)計

3 模擬結(jié)果分析

3.1 方案1

礦體頂板厚度h1=h2=1.0 m時點柱不同跨度的模擬結(jié)果見圖3～5。通過圖3～5，對致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁、直接頂板粘土巖及間接頂板白云巖在其各自自重下時不同跨度的最大位移值計算結(jié)果可知，致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移值>直接頂板粘土巖的最大位移值>間接頂板白云巖的最大位移值；其中致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移值是間接頂板鋁土巖的最大位移值約是致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移值的1.54倍，直接頂板鋁土巖的最大位移值約是間接頂板白云巖的最大撓度值的1.33倍，即致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁:直接頂板粘土巖:間接頂板白云巖≈1.54∶1.33∶1。

3.2 方案2

礦體頂板厚度h1=h2=0.8 m時點柱不同跨度的模擬結(jié)果見圖6～8。

通過圖6～8，對致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁、直接頂板粘土巖及間接頂板白云巖在其各自自重下時不同跨度的最大位移值計算結(jié)果可知，致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移值>直接頂板粘土巖的最大位移值>間接頂板白云巖的最大位移值；其中致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移是間接頂板鋁土巖的1.61倍，直接頂板鋁土巖的最大位移值約是間接頂板白云巖的最大撓度值的1.31倍，即致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁:直接頂板粘土巖:間接頂板白云巖≈1.61∶1.31∶1。

3.3 方案3

體頂板厚度h1=h2=0.8 m時點柱不同跨度的模擬結(jié)果見圖9～11。

通過圖9～11，對致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁、直接頂板粘土巖及間接頂板白云巖在其各自自重下時不同跨度的最大位移值計算結(jié)果可知，致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移值>直接頂板粘土巖的最大位移值>間接頂板白云巖的最大位移值；其中致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁的最大位移是間接頂板白云巖的1.61倍，直接頂板鋁土巖的最大位移值約是間接頂板白云巖的最大撓度值的1.31倍，即致密狀鋁土礦護(hù)頂?shù)V壁:直接頂板粘土巖:間接頂板白云巖≈1.62∶1.32∶1。

圖3 跨度為8 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖4 跨度為10 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖5 跨度為12 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖6 跨度為8 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖7 跨度為9 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖8 跨度為10 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖9 跨度為7 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖10 跨度為8 m時頂板位移和應(yīng)力變化

圖11 跨度為9 m時頂板位移和應(yīng)力變化

通過上述的計算結(jié)果，可得出各方案頂板變形量計算結(jié)果表，見表3。

表3 3種方案頂板變形量結(jié)果

4 結(jié) 論

1)通過對相鄰礦柱在不同跨度下的計算，結(jié)果表明：跨度越大，頂板的位移量越大，礦柱所受的應(yīng)力越來越大。

2)通過對相鄰礦石點柱跨度相同時，護(hù)頂?shù)V壁和礦體直接頂板在不同厚度下的變形計算方案可以看出，跨度不變的情況下，護(hù)頂?shù)V壁越厚，頂板位移量有逐漸減小的趨勢，礦柱所受的應(yīng)力也有逐漸減小的趨勢。

3)通過對各方案的位移量計算分析，結(jié)果表面：直接頂變形量要大于間接頂?shù)淖冃瘟?，這樣會造成頂板的不穩(wěn)定情況，如頂板的離層、垮落等現(xiàn)象的發(fā)生。