凡口矿分层回采采场稳定性数值模拟研究

彭洪珍,刘晓明

(1.苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司, 江苏苏州市 215004;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

凡口矿分层回采采场稳定性数值模拟研究

彭洪珍1,刘晓明2

(1.苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司, 江苏苏州市 215004;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

综合运用绘图软件 CAD和有限元数值模拟软件 Phase2,结合凡口矿 N2采场实际,研究形成了一种采场上向分层回采稳定性数值模拟方法。根据 N2采场空间位置确定了数值模型范围,建立了复杂的采场分层回采前处理模型,将模型导入到 Phase2中,经属性赋值、网格划分及定义边界条件后,形成数值计算模型,按采场实际回采次序分 13步进行了采场回采模拟,揭示了N2采场分层回采过程中应力、位移的变化趋势,研究结果为矿山优化类似采场结构参数和地压控制提供了可靠的理论依据。

上向水平分层充填采矿法;有限元;采场稳定性;数值模拟

凡口矿是我国超大型铅锌矿床之一,目前开拓深度达 900 m,已进入深部开采[1]。根据矿体赋存状态及开采技术条件,矿山主要采用上向水平分层充填法开采,对厚大矿体 (30～50 m),一般按垂直矿体走向布置采场,即采场长度为矿体厚度,采场宽度为 8～10 m。上向分层回采中,随着采场的分步回采,并以胶结或非胶结充填体及时充填空区,采场的几何形状和介质不断发生变化,致使采场周围应力场和位移场也不断变化,因此,研究分层回采采场稳定性,对于指导采场安全回采具有重要的现实意义[2～6]。

Phase2是一个有限元软件,该软件在网格划分、后处理等方面具有独特优势,尤其适合采场开挖过程模拟[7～9]。本文采用 Phase2数值模拟软件,针对凡口矿N2采场实际情况,分别模拟采场在分层回采过程中的采场应力、位移变化情况,为矿山优化类似采场结构参数和地压控制提供可靠的理论依据。

1 模型构建

1.1 采场概况

凡口矿狮岭 N2采场为矿房采场,设计回采高度为 80 m,跨 2个中段,标高从 -320 m到 -240 m,单次分层回采高度为 3.5 m,采一层充一层,充填时胶面高为 1 m。采场底柱高为 8 m,铺底高为 6 m,铺底高度分两次开挖,每次 3 m,采场目前已经完成拉底,并回采至 -292 m水平。

1.2 模型范围确定

在研究采场爆破设计剖面和采场在各中段水平平面位置的基础上,综合考虑数值模拟中对数值计算模型范围大小的要求,确定采场的数值模型范围见表1。

表1 分析计算模型坐标范围

1.3 数值计算前处理模型构建

尽管 Phase2自带有建模功能,但对含有复杂回采、充填边界的模型,难度极大。因此,充分运用Phase2能导入 dxf文件的功能,根据凡口矿采场回采剖面图建立数值计算前处理模型,步骤如下:

(1)N2采场为矿房采场,根据矿房采场回采和充填具体要求,建立采场分层回采及充填模型;

(2)根据计算模型范围,建立 N2采场之外的其他采场或未回采矿体模型;

(3)建立数值计算模型外边界;

(4)根据 Phase2对导入 dxf文件中线图层的要求,分别将开挖边界、材料边界和计算模型外边界置于不同的图层中[8];

(5)将文件保存为 dxf格式文件,再导入 Phase2中,完成N2采场分层回采数值计算前处理模型的构建,结果见图1。

2 数值计算模型构建

2.1 力学参数

图1 N2采场分层回采数值计算前处理模型

根据凡口矿 N2采场地质特征和工程特点,力学介质有充填体 (胶结、胶面和铺底 3种)、围岩和矿体等 5种。矿岩力学参数是在室内试验获取的基础上,结合岩体结构特征及分级指标,经工程处理后综合选取的[9],最后获得本次模拟计算所需的岩体力学参数,见表2。

表2 凡口矿 N2采场岩体力学参数

2.2 数值计算模型

在所建 N2采场分层回采数值计算前处理模型的基础上,选用三角形对模型进行网格划分,并对模型四周边界施加 X、Y全约束,选择莫尔 -库仑破坏准则[10],材料属性按表2进行赋值,建立的数值计算模型见图2。根据采场回采方式分 13步进行模拟,分别模拟采场 12个分层的回采与充填。

图2 N2采场分层回采数值计算模型

3 结果分析与讨论

3.1 应力变化特征分析

考虑到 N2采场分层数目较多,因此,选取几个典型分层回采模拟结果进行显示,采场分布开挖最大主应力变化趋势见图3,采场分布开挖最小主应力变化趋势见图4。

图3 采场分布开挖最大主应力变化趋势

第 1步:该步模拟开挖 3.5 m后采场周围的应力变化情况。最大主应力集中在采场顶板的端角处 ,σ1为 40MPa左右 ,最大值 42MPa,顶板的σ1值范围为 14～25MPa,底板σ1值范围为 0～4MPa,没有出现拉应力;最小主应力多集中在采场两帮的端角处,大小为 12 MPa左右,最大值 14 MPa,顶板的σ3值范围为 0～13 MPa,底板σ1值范围为 -0.6～2.66 MPa,胶面充填体上出现有拉应力。

图4 采场分布开挖最小主应力变化趋势

第 2步至第 11步:每次回采高度均为 3.5 m,分层回采后,两个主应力变化趋势相似,每次回采后采场及时进行了充填,使得采场底板处的最大主应力基本稳定在 0～1 MPa,最大主应力多集中在采场顶板的端角处。随着开挖高度的增加,σ1也随着增加,直到回采上中段底柱时出现最大值 60 MPa;最小主应力多集中在采场顶板的端角处,最大值为 16 MPa,顶底板的σ3值范围为 -0.6～5 MPa,局部出现拉应力,最大值为 0.6 MPa,小于矿体或胶面充填体的抗拉强度,采场保持稳定。

第 12步:该步模拟回采上中段的底柱。由于底柱以上均为充填体,最大主应力集中在采场顶板的端角处,σ1为 15 MPa左右,最大值为 22 MPa,顶板的σ1值范围为 0～2 MPa,底板σ1值范围为 0～3 MPa,没有出现拉应力;最小主应力多集中在采场两帮的端角处,σ3为 4 MPa左右,顶底板的σ3值范围为 -0.29～3MPa,局部出现拉应力。由于底柱回采时没有接顶,底板出现拉应力,最大值为 1.95 MPa,大于充填体的抗拉强度,充填体发生冒落,并可能充满充填未接顶留下的间隙。

第 13步:该步模拟整个采场回采充填完成。该步完成后应力集中的现象得到了缓解,对回采周围采场起到了重要的作用。在现有的充填条件下,很难做到完全接顶,通常留有 0.5～0.6 m的间隙,随着顶板位移增加,应力发生变化,顶板将出现拉应力,可能造成顶板冒落。

3.2 位移变化特征分析

N2采场回采从下往上依次进行,随着回采水平逐步上升,采场周围的位移不断发生变化,回采后的采场顶底板,位移主要以垂直位移为主,采场侧壁则以水平位移为主。图5和图6分别为采场部分分层回采引起的水平和垂直向位移分布变化图。

图5 采场分布开挖水平位移变化趋势

图6 采场分布开挖垂直位移变化趋势

第 1步:两帮以水平位移为主,由于开挖的高度只有 3 m,水平初始应力为垂直重力的 1.1倍,产生了 0～2 mm的位移;顶底板则以垂直位移为主,其中顶板最大位移为 1 mm,底板最大位移为 2.2 mm。

第 2步至第 11步:分层回采过程中,底板垂直位移基本保持稳定,最大值为 8 cm,位于采场底板中心;顶板垂直位移也基本稳定,最大值为 4 mm,左边的 N3采场由于充填没有接顶,在回采到 11步时,也出现了 1～3 cm的垂直位移。采场侧壁的水平位移则随着回采的逐步向上,变化较大,呈递增趋势,至第 11步水平位移达到最大值 4 cm,主要在采场的左边。

第 12步:由于底柱以上都是充填体,该步回采完成后顶板的位移突然剧增,最大值为 23 cm,底板位移还是保持在 8 cm左右,N3采场顶底板垂直位移也由原来的 3 cm增加到 6 cm;水平位移最大值出现在顶板上的充填体内,最大值为 6 cm。

第 13步:该步为整个采场充填接顶,主要为控制采场顶板位移,模拟结果来看,顶底板的垂直位移有所下降,验证了采场充填后的效果。

4 结 论

综合运用 CAD绘图工具和有限元数值模拟软件 Phase2,结合凡口矿 N2采场实际,研究形成了一种采场分层回采稳定性数值模拟方法,获得以下结论:

(1)利用 CAD建立数值分析前处理模型,再导入 Phase2形成数值计算模型,实现了复杂模型的构建,节省了建模时间,提高了模型的准确度。

(2)根据 N2采场实际回采次序,分别模拟了该采场分层回采、充填过程中采场顶底板、侧壁充填体的应力及位移变化情况。数值模拟结果表明,在回采上中段底柱之前,最大、最小主应力均在矿体、围岩和充填允许范围内,开采满足安全要求;但在回采上中段底柱时,最小主应力达到了 -1.95 MPa,大于充填体的抗拉强度,充填体发生垮塌,为预防事故发生,在回采底柱时应该采取相应的防治措施,比如底柱分层高度降低至 1.5 m,或分两次爆破,每次宽4 m。

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[3] 王新民,卢央泽,张钦礼.煤矸石似膏体胶结充填采场数值模拟优化研究 [J].地下空间与工程学报,2008,4(2):346～350.

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2010-05-31)

彭洪珍 (1978-),男,江西宜春人,助理工程师,主要从事矿山开采设计与安全管理工作。