紫金山金铜矿隔离矿柱崩落的采空区稳定性分析

2014-03-22陈建平

采矿技术 2014年4期

陈建平

(紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿露天采矿厂，福建上杭县 364200)

0 引言

紫金山金铜矿床是一个特大型上金下铜的金铜共生矿床，采用露天地下联合开采，2009年地下开采停采。在平面位置0线～15线、垂向上460～570 m中段，共布置近百个矿房，矿房宽度为15 m，但长度不一，其中最长达120 m，采空区总体积为410万m3。

目前，地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，随着露采标高的降低，460～580 m标高之间的采空区，对露天开采带来了严重的安全隐患。采空区未及时处理将导致金铜矿联合开采的方案无法实施，势必会影响铜矿资源的利用、矿山的生产能力及效益。目前初步确定了崩落隔离矿柱充填520 m中段采空区，利用露天采场低品位矿石充填460 m中段采空区的总体处理方案。崩落隔离矿柱过程中，空区矿柱在爆破动荷载的冲击下能否保持稳定是重点需要关注的问题。

1 数值模拟模型

根据矿山生产计划，采空区的处理作业需待露天采矿开采至+616 m水平后进行,对于所模拟的对象来说，其地表初始状态应为露天采场+616 m开采水平。综合地下采空区各个中段平面图，本次模型顶部为露天采场616 m开采，水平以各中段平面图为基础，Z方向底部为360 m水平。考虑到地下工程开挖对围岩变形的影响(岩体工程开挖所导致的岩体受扰动范围一般为开挖空间跨度的3～5倍)，X，Y方向边界分别以最外侧矿房边界以自身开采跨度的三倍为标准外推得到,所建立的模型如图1所示，矿岩的力学参数见表1。模拟时，隔离矿柱中每4 m为一层，采用层层开挖，层层求解的模式。而对于模型中爆破所带来的动力荷载的影响，以最大爆破段药量，根据经验公式求得速度峰值及主频率，然后将相关参数加以整合，转换成速度时程或应力时程，以此来模拟模型所承受的动荷载作用。分析时，由于静力计算是动力计算的基础，故先进行静力分析，然后进行动力分析。

图1 三维模型整体网格

对于所研究的对象来说，由于埋深较浅(616～520 m)，仅约百米左右，根据相关的岩石力学理论及实践，一般只有在深埋工程中构造应力才会明显增大。在浅埋工程和地表工程中一般自重应力远远大于岩体中的构造应力，即浅埋工程中的地应力场将主要由自重应力构成。基于此规律，可以认为本次数值模拟模型的地应力场主要是由上覆岩石的自重及相关采掘设备所带来的均质应力场，无须再进行地应力场复合。

2 隔离矿柱崩落后采空区稳定性分析

从静力分析来看，顶板爆破崩落后矿柱的受力状况良好，但本次研究关注的重点是矿柱在爆破动荷载的冲击下的稳定性问题，其实质是一个动力学问题，而岩土工程中关于爆破振动下的动力学计算的相关理论较少，故仅靠常规的静力分析手段难以满足本次研究的需求，考虑到本次爆破药量较大，故须考虑到爆破所带来的瞬时动荷载(应力波)的影响。由于FLAC3D动力分析中对本构模型无特殊要求，关键是要设置合适的阻尼形式、阻尼参数、边界条件即可。

2.1 动力荷载相关参数的确定

考虑到最大段药量以不超过3 t为宜，本次动力分析取15 m×80 m的矿房爆破1 m厚顶板所需药量为最大段药量，其中炸药单耗取0.45 kg/t，则最大段药量为2916 kg。速度时程等动荷载相关参数由该药量经《爆破安全规程GB6722-2003》所推荐的萨道夫斯基经验公式估算而来。

对于频率的确定，目前没有像波速公式那样得到行业统一认可的经验公式。参考爆破安全规程中的相关的频率经验参数，通常对于硐室爆破f<10Hz，露天深孔爆破f=10～60 Hz，露天浅孔爆破f=40～100 Hz，地下深孔爆破f=30～100 Hz，地下浅孔爆破f=60～300 Hz。本次模型参考类似矿山的一些频率经验公式，选取f值范围为20～30 Hz(频率在传播中会衰减，视动荷载施加位置、爆破最大段药量的大小予以调整)。

2.2 动力边界条件及阻尼的设置

本次模型较大，单元网格数较多，为提高计算效率，采用静止(粘性)边界条件。在模型的法向和切向分别设置自由阻尼器以达到吸收入射波的目的，法向和切向粘性力为：tn=-ρcnvn,ts=-ρcsvs，其中vn、vs分别为模型边界上法向和切向的速度分量，ρ为密度，cn、cs分别为p波和s波的波速。p波和s波的波速可由与弹性模量E和泊松比u求得。

对于应力波的模拟，由于其实质也是等效输入，故可经相关的爆破经验公式求得不同距爆心距情况下的波动参数，然后采用类似于天然地震波的输入方法，以速度波或应力波的形式施加在模型内部，其中速度波转化为应力波公式为：δn=-2(ρcp)vn，δs=-2(ρcs)vs，其中δn、δs为分别施加在静态边界上的法向应力与切向应力。

通常在结构稳定性计算中可以采用瑞利阻尼，对于实际的结构物，其阻尼比ξ一般为0.02～0.05,本次计算时通过反复的试算及参照经验数据，选取模型的振动阻尼比ξ=0.05。对于岩体中心频率(非动荷载输入频率)，参考类似工程岩体并结合速度时程的谱分析得到。

2.3 矿柱稳定性分析

图2 隔离矿柱上部崩落瞬间空区矿柱最大主应力云图

图3 隔离矿柱上部崩落瞬间空区矿柱最小主应力云图

从图2～图4来看，该矿柱内各相关的最大瞬时应力均发生在爆破区域附近。矿柱内部所遭受的高应力区范围较少。当隔离矿柱近矿柱端爆破时，最大瞬时拉应力虽然达到了2.18 MPa，最大剪应力达到了3 MPa，但最大值仅仅出现在爆破源周围围岩中，而矿柱内部最大瞬时拉应力、剪应力普遍均在1～2 MPa之间。随着隔离矿柱爆破作业的逐渐向上推进，在最大爆破段药量不变的情况下，爆破动荷载对矿柱的影响开始减少，矿柱内部所受拉应力、剪应力约为1 MPa左右，基本上威胁不大。总的来说，对于空区矿柱，无论是爆破中还是爆破后，由于矿柱所遭受的拉应力、剪应力值普遍都在2 MPa以下，相对于岩体层自身的抗剪强度而言，尚不足以对其产生威胁。

图4 隔离矿柱上部崩落瞬间空区矿柱剪应力云图

图5 顶层上部崩落瞬间空区矿柱位移云图

而从图5可以看出，最大位移量虽然达到了4.22 mm，但主要是集中在爆破源附近，矿柱内部位移量普遍都在1 mm以下，且数值基本无变化。根据弹塑性力学相关理论，岩体进入塑性变形后，位移会大幅度增加，而从整个位移的分布情况来看，矿柱内部位移量变化率较小，数据变化平缓稳定，无突变现象发生。结合应力分布情况来看，仍可以认为矿柱内部并未产生塑性变形，仍处于弹性变形阶段。

总的来说，虽然矿柱部分区域内出现了一定区域的高应力，但大部分高应力区分布在爆破源附近，矿柱内部受力状况仍然良好，可以认为空区及矿柱仍能保持稳定状态。

3 结论

本次研究是在最大段药量不超过3 t的情况下，通过使用数值模拟手段，对采空区及矿柱的稳定性进行了分析论证。

从空区处理完毕之后的状态来看，即从顶板崩落之后的静力分析来看，由于矿柱一方面承担的上部荷载实质上在减少，另一方面空区得到充填处理，空区周围的矿柱某种程度上也得到了充填保护，从而导致矿柱受力状况较爆破之前的初始状况并未出现恶化。矿柱所遭受的拉应力、剪应力值普遍都在1 MPa以下，而矿柱内部位移量普遍都在1 mm以下，且数值基本无变化，无突变现象发生，即岩体层仍处于弹性变形阶段。表明矿柱内部受力良好，能满足下一步作业的安全需求。

从空区处理时的状态来看，即从爆破瞬间的动力分析来看，空区矿柱的受力状况良好，未产生应力集中区，位移数值偏小且变化平缓，表明空区顶柱层的崩落基本对矿柱区域无影响。而水平矿柱虽然受爆破冲击影响较空区矿柱大，但拉、剪应力数值仍未达到预设强度，虽然从位移的分布情况来看，局部区域出现了一定范围的塑性区，但塑性区并未贯通整个矿柱，表明矿柱能经受的本次所施加的动荷载的冲击，即能满足本次作业的安全需求。

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