矿震对垴窖铁矿采空区的影响模拟分析
2011-11-15欧阳治华张青青
陈 平，欧阳治华，张青青
(武汉科技大学， 湖北武汉 430081)
矿震对垴窖铁矿采空区的影响模拟分析
陈 平，欧阳治华，张青青
(武汉科技大学， 湖北武汉 430081)
以湖北灵乡垴窖铁矿为例，利用大型通用三维有限元数值分析软件ANSYS建立了该铁矿的三维模型，利用ANSYS谱分析模块模拟了矿震对采空区、顶底板和矿柱等的影响，进行动力学分析，求解出最大、最小主应力，应变能、位移等，根据模拟结果判断出矿震发生的可能性，并在此基础上提出一些预防措施，对局部空区、围岩和矿柱进行加固，避免矿震灾难。
矿震;ANSYS数值模拟;采空区;三维数值模型
在金属矿山采空区，由于坚硬覆岩大面积悬空，围岩应力集中程度增大，岩体积累的应变能增高，应力集中引发的矿震危害具有一定的普遍性。矿震发生时，由于大量应变能的突然释放，可能导致大范围的岩体突然破坏和冒落，使整个矿井、巷道或采场报废，造成人员伤亡和设备破坏。所以对矿震的诱发条件以及矿震对采空区、巷道和矿柱等的破坏进行数值模拟就有着重大的现实意义。本文利用ANSYS软件对矿震作用下的采空区、巷道和矿柱进行了矿震响应三维数值模拟。
1 矿山开采现状
湖北大冶市灵乡镇垴窖铁矿位于大冶市灵乡镇境内，矿区由浅至深赋存I号、II号、III号矿体，上部I号矿体由原武钢灵乡铁矿露天开采。至今，垴窖铁矿对矿区内II号、III号矿体已全面开采20 a，开采水平为+66～－77 m。II号矿体位于露天坑南帮正下方，露天坑坑底为+68 m。在开采II号矿体上部中段时，由于采空区的形成，并已有采空区与露天坑沟通，支撑矿柱难以承受露天坑南帮100余m高的岩体压力，采空区顶板下沉，致使露天边帮变形、松动，时有小规模的垮塌发生。随着下部采空区采用有底部结构的崩落法回收残矿，通过放矿漏斗出矿，上部各中段采空区基本上垂直相通。2008年7月20日，露天边帮松散体突然垮向采空区各中段，出现1次较大规模的地压活动。
垴窖铁矿现有的采空区包括+56 m以上空区、+30，+10，－15，－25，－40，－55( －53)，－74( －77)m采空区。
2 ANSYS有限元模拟分析
矿区地应力场计算物理模型主要考虑了花岗岩、崩落体材料、矿体材料。计算中所用的力学参数见表1。
表1 垴窖铁矿矿岩力学参数
2.1 ANSYS三维数值模拟
利用ANSYS三维数值模拟能很好的计算出各个采空区的最大、最小主应力，安全系数以及应变能。与实验得到的矿岩强度指标进行对比，则得出各个采空区的稳定性，从而为矿山地下开采提供良好的技术支持，确保采场的整体稳定性和生产的安全，有效地避免采矿过程中大面积垮冒所带来的灾害性事故发生。
根据垴窖铁矿各个水平分层平面图进行数字化处理，最终建立的三维数值模型如图1所示。
图1 垴窖铁矿三维数值模型
2.2 ANSYS数值模拟结果分析
安全系数应用Mohr－Coulomb理论，该理论利用了最大和最小主应力与抗拉和抗压强度之间的关系，标准如下:
其中，σt和σc为最终(或屈服)的拉伸和压缩强度，当F＜1时，岩体不稳定;反之，F＞1则说明岩体稳定。
图2、图3和图4是进行地震谱分析之前的模型静力学分析，由其最大、最小主应力和安全系数的计算结果中可以看出，除了极个别的地方由于受到应力集中效应的影响产生比较大的拉应力之外，绝大部分的拉应力基本上是在60 MPa之内，矿柱和围岩所承受的应力均在其承受范围之内。由于模型在静力学分析的时候，没有考虑到地下水因素的影响，因此矿柱和围岩所能承受的应力会比试验中测定的数据偏小。根据结果，在－53 m水平，矿柱所产生的压应力值偏大，达到了35 MPa，局部区域由于应力集中达到了55 MPa，在－74 m矿柱受到的压应力最大值在45 MPa左右。
图2 －53～－74 m水平最大主应力
图3 －53～－74 m水平最小主应力
图4 －53～－74 m水平安全系数
2008年7月20日，由于有一次较大的地压活动，－40 m以上的采空区都被围岩充填，围岩内高应力基本上释放完毕。根据ANSYS计算结果可知，目前－40 m以上水平基本上是稳定的。但是在－53 m和－74 m水平，由于采空区暴露面积比较大，局部甚至形成上下采通，所以极易形成应力集中，根据ANSYS静力计算结果可知，由于应力集中局部矿柱和顶底板所产生的最大拉应力已经基本接近或达到其矿体和围岩的抗拉抗压强度。此外，计算结果还显示斜井附近围岩以及采空区的顶底板围岩存在着一定的拉应力，这可能会导致局部围岩片帮，或因围岩的非均质性(局部裂隙发育等因素)出现局部冒顶现象，可能会影响到开拓系统和采场整体的稳定性。
图5是在进行矿震谱分析之后得出的－53～－74 m水平安全系数图，从图中可知，矿柱的安全系数基本是在0.5以上，顶底板的安全系数基本上在1以下。所以在有顶底板局部冒落的时候，对该局部区域所产生的破坏作用是巨大的。从图5来看，矿柱应首先由于巨大的冲击波而破坏，从而导致上覆围岩的进一步的跨冒，产生更大的矿柱事故。
图5 谱分析之后－53～－74 m水平安全系数
根据ANSYS静力计算结果，基本上得出了垴窖铁矿在－53 m和－74 m水平可能发生冒落、岩爆甚至矿震事故的局部区域，在这些重点区域必须进行围岩加固和安全监测。为了控制井下事故的发生，可以采取一些手段来监测矿柱和围岩是否发生破坏，如采用岩体声发射技术。
3 结论
(1)利用ANSYS软件中的动态分析模块，建立了垴窖铁矿的三维模型，并根据实验得到的数据设置了围岩以及矿石的各种物理参数、边界条件、载荷。再此基础上计算出垴窖铁矿的最大、最小主应力、应变能、位移等，同时对加入地震谱前后做对比分析，模拟出矿震的破坏影响。
(2)根据模拟出来的结果，研究矿震发生时对采空区、顶底板和矿柱等的破坏作用，提前做出预防措施，对围岩以及矿柱等进行加固处理，此外，还可以在重点区域进行岩体声发射监测等措施。
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2010－12－27)
陈 平(1986－)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事矿山数值模拟研究，Email:anhuichenping@163.com。
