蚕庄金矿上庄矿区采场稳定性分析

杨锡祥,郭建军,周英芳

(山东招金集团有限公司, 山东招远市 265400)

蚕庄金矿上庄矿区采场稳定性分析

杨锡祥,郭建军,周英芳

(山东招金集团有限公司, 山东招远市 265400)

采用二维平面应变问题有限元法对 3个试验采场 17步开挖采充步骤的过程进行了模拟,并根据模拟计算结果对矿房采动过程中各个阶段的稳定情况作了分析,同时讨论了不同矿房倾角、不同支护方式等因素对采场稳定性的影响,指出矿房顶板及右侧壁围岩的稳定程度是控制采场稳定性的主要因素,选取 70°矿房倾角可改善其受力状态。

蚕庄金矿;采场稳定性;数值模拟分析

1 矿区岩体结构分布特点

蚕庄金矿上庄矿区的原岩应力场,以水平构造应力为主,并且属于区域性构造的望儿山压扭性断裂带(主断裂),对整个矿区的岩体结构起控制作用。为了掌握岩体结构面分布规律,进行了岩体结构面详细调查,其岩体结构分布有如下特点。

(1)结构面可以分为 4组。Ⅰ、Ⅱ两组数量大、规模大,优势明显;Ⅲ组分布离散,仍有一定的数量;Ⅳ组数目不多,但分布相当集中。

(2)矿区结构面的分组情况与各构造分区基本吻合,说明构造应力在这一地区变化不大。

(3)从构造上看,主断裂带这一区域控矿构造起主导作用。4组结构面中有 3组走向与其平行。

(4)4组结构面平均间距分别为:Ⅰ组 0.343 m,Ⅱ组 0.279 m,Ⅲ组 0.321 m,Ⅳ组 0.348 m。全矿区结构面间距总体分布为正态分布。

2 单个采场数值模拟分析

2.1 计算方法

有限元法和边界元法是目前地下工程中的两种有效数值方法,而在解决非均质材料中开挖体的稳定性问题时,有限元法更优越。本课题采用二维平面应变问题有限元法,首先进行位移和弹性应力计算,然后使用德鲁克-普拉格准则进行塑性变形的判断。

单个采场结构参数优化,主要包括采场长度、宽度、跨度以及分层高度。分层高度在计算模型中变化幅度较小,它的变化对采场周围应力和位移影响很小,况且分层高度受采矿方法、采矿设备、采场支护手段的影响程度较大,过大过小都会对采场生产能力和经济效益产生影响,因此,这里不再做分析比较。在计算过程中,分层高度为 2.5 m。

2.2 采场长度优化分析

采场长度优化计算模型取 4个,其长度分别为20,40,60,80 m,采场高度均为 30 m。

从采场顶板下沉量来看,随着采场长度的增加,顶板下沉量也不断增大,增长率在 28%～53%之间,且随长度的增加,增长率逐渐下降。

从采场顶板应力状况来分析,采场长度在 20～40 m之间,顶板压力大幅度下降,超过 40 m之后,开始出现拉应力,60～80 m之间拉应力急剧增加。采场顶板出现拉应力,说明顶板岩体处于应力松弛状态,使弱结构面粘结力下降,在重力作用下出现冒落现象,采场顶板处于危险状态,应加强支护。

采场侧帮应力也呈现较强的规律性,随着采场长度的增加,侧帮应力不同程度的增大,20～40 m间增长缓慢,60～80 m之间却增长较快。

2.3 采场高度优化分析

采场高度优化计算模型分别为 10,30,50 m 3个,采场跨度均取 10 m。

采场顶板下沉量与采场高度呈正比关系,当采场高度不断上升,顶板下沉量持续增加,30 m之后增长幅度下降。

采场顶板应力状况显示,采场高度在 10～30 m之间,顶板应力急剧增大,30 m处呈现拐点,30 m之后开始下降,说明采场高度达到 30 m时,顶板压力处于最不利状态。30 m之后应力开始下降,45 m处出现拉应力,且拉应力上升速度较快。

采场侧帮应力呈现相同的规律性,应力在 30 m处上升到最大值,之后急剧下降,45 m处出现拉应力,且增长幅度较大。

因此,采场高度以不超过 40 m为宜,且以单中段回采方式较为稳妥。随着采场的上采,采场应力环境越来越不利,应加强采场顶板及帮壁的支护。

2.4 采场跨度优化分析

采场跨度优化分析模型取 3个,其跨度分别为10,20,30 m,采场高度均为 30 m。

顶板下沉量随着采场跨度的增加,呈现缓慢的上升趋势,最大下沉量为 8 mm,说明顶板下沉量与跨度之间关系不大。

顶板应力状态与跨度之间成反比关系(见图1),随着跨度的增加,压力越来越小。这与应力场为构造应力场有关,最大主应力与采场跨度方向平行,有利于采场的稳定。

图1 采场顶板应力与采场跨度的关系

采场侧帮应力状态与顶板的变化趋势不同(见图2),随着采场跨度的增加,最大主应力持续增加,从最小主应力和最大剪应力方面看,10 m时应力处于最低状态,20 m之后呈上升趋势。因此,采场跨度取 10 m为宜,最大不超过 20 m。

图2 采场侧帮应力与采场跨度的关系

3 矿房倾角对采场应力状态的影响

由于矿房倾斜布置,这种矿房倾斜角度与采场应力状态之间的关系究竟如何,需要做一模拟分析。采场倾角取 30°、50°、70°、90°4个值,采场跨度均为10 m,采场高度为 30 m。

采场顶板下沉量与矿房倾角关系(见图3)表明,在倾角 70°处呈现突变,小于 70°是随着倾角的增大,下沉量呈下降趋势,大于 70°之后,下沉量又开始上升。

图3 采场顶板下沉量与采场倾角的关系

采场顶板应力变化比较复杂(见图4),30°～50°之间,顶板应力上升速度很快,50°处达到最大值,50°～70°之间呈下降趋势,70°处达到最小值,70°之后又缓慢上升。

图4 采场顶板应力与采场倾角的关系

采场上、下盘应力状态见图5和图6,总的来说,下盘应力大于上盘。在 30°处均出现拉应力,随着倾角的增加,最大主应力一直呈上升趋势,而最小主应力在 50°处上升至最大值,之后开始下降。

图5 采场上盘应力与采场倾角的关系

图6 采场下盘应力与采场倾角的关系

由此可见,应力环境最有利的倾角为 70°左右。

4 采场充填效应

为了探讨充填作用机理,模拟了采场充填前后两种空区形态,采场高度为 30 m,跨度为 10 m,采场倾角为 70°。

对于采场顶板应力变化状态,充填后采场压力均不同程度下降,下降幅度最大的是最大主应力,最小主应力次之,最大剪应力下降幅度最小;而充填前后侧帮应力状态,侧帮中央应力下降幅度最大,而最大剪应力却有所增加。

充填体不仅为采场提供工作底板,限制采场两帮岩体位移,而且对采场周围应力状态有所改善,应力降低幅度达 30%～40%。

充填体内最大主应力在 26～73 kN之间变化,平均为 50 kN的低强度尾胶体,基本能满足要求。

5 结 论

试验采场的稳定性分析,借助于有限单元法对3个试验采场 17步开挖采充步骤的过程进行了模拟,并根据模拟计算结果对矿房采动过程中各个阶段的稳定情况作了分析,同时讨论了不同矿房倾角、不同支护方式等因素对采场稳定性的影响。

通过对采矿工程多层次、多方位的采充模拟计算,揭示了倾斜矿房采场地压的显现规律:

(1)蚕庄金矿上庄矿区试验采场,塑性单元主要集中在矿房顶板和充填体中。这一现象揭示出了矿房顶板及右侧壁围岩的稳定程度是控制采场稳定性的主要因素。

(2)矿房倾斜布置,从采场应力分布而言对采场的稳定性有一定的积极作用:它改变了充填体的受力状态,同时每个矿房的右下侧壁受到充填体的托扶作用,也改善了矿房顶板和右下侧壁的受力状态。并且,分析不同矿房倾角的采场应力状态,选取70°矿房倾角是可行的。

(3)计算分析表明,及时地提供合理的支护对矿房的稳定将起到举足轻重的作用。

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2009-07-29)

杨锡祥(1963-),男,山东荣城人,高级工程师,主要从事矿山安全环保科技工作,Email:guojianjun1967@163.com。