复杂环境下难采矿体开采的力学分析
2016-09-26向军
向 军
(凡口铅锌矿, 广东 韶关市 512325)
复杂环境下难采矿体开采的力学分析
向军
(凡口铅锌矿,广东 韶关市512325)
复杂环境下顶底柱、残矿的安全高效回采一直是地下矿山安全生产管理的重点和难点,以凡口矿某底柱的开采为例,根据矿山开采现状构建三维有限元数值模型,开展了凡口矿底柱开采数值分析研究。结果表明:底柱采场开挖之后,顶、底板和围岩的位移和应力变化范围不大,且应力集中区域在合理范围之内。根据数值分析的结果,提出了安全可行的回采方案。研究结果为相似底柱残矿的回收提供参考。
复杂环境;开采安全;顶柱回采;数值模拟;力学分析
0 前 言
受资源开采条件、采矿技术水平及装备技术等影响,我国矿山开采遗留下大量的残矿资源,如何实现安全高效回采残矿资源是亟待解决的问题之一,也是最大程度回收资源、延长矿山服务年限的一种有效手段之一。残矿的赋存条件往往较复杂,回采安全难度大、回采效率底、成本高是该类资源开采的难点之一。
凡口铅锌矿经过近50年开采,留下了大量难采的顶底柱等残矿资源,为了最大限度地安全回收底柱残矿,应进行采矿工艺优化,研究摸索出安全高效的残矿资源开采工艺。因此,通过选取凡口矿某底柱采场,构建出三维有限元数值分析模型,开展底柱采场开采后顶、底板和围岩数值分析,对开采后围岩的力学状态进行预测,在此基础上研究安全高效的回采技术方案。
1 工程概况
以Sh-320 m S1#底柱为例,Sh-320 mS1#底柱采场由Sh-320 m水平进入,采场平面见图1。
S1#底柱采场充填面与一分段的拉底层底板标高差约为9.7 m。采场结构破碎,节理发育,中间填充物多为泥炭质,胶结差,易脱层。采场西头为F3断层,矿灰交界处,分布有多条小断层,受其作用局部矿岩结构破碎,稳固性减弱,顶边帮易产生脱层冒落,开采条件复杂,另受周边爆破影响,整体稳定性较差,回采安全难度大。
图1Sh-320 m S1#底柱采场平面
2 数值分析
2.1数值模型的构建
根据矿山现有的开采情况(见图2)建立有限元模型。数值模型取垂直方向为Z轴,采场走向为Y轴,与采场走向垂直方向为X轴,模型的四周采用固定支撑。模型范围垂直方向70 m,宽和长均为60 m。数值分析选取弹塑性本构模型,并采用Drucker-Prager屈服准则,采场的开挖可由单元钝化来实现。表1为经过力学实验获取的岩石物理力学参数。
图2 开采现状
岩体名称体重γ/(g·cm-2)弹性模量E/GPa泊松比ν抗压强度σc/MPa矿体3.4617.40.2514.3充填体3.235.70.230.35岩体名称抗拉强度σt/MPa黏聚力c/MPa内摩擦角/(°)矿体2.373.0536.3充填体0.120.3538.1
2.2开挖对采空区应力场的影响
从图3和图4中可看出,主应力分布较为均匀,在顶、底板和两帮出现部分应力集中,围岩受到的最大压应力为19.76 MPa,最大拉应力未出现。图5为剪应变云图,从水平方向看,两帮的剪应变较大;从竖直方向看,顶、底板上出现的剪应变较大。
2.3开挖对采空区位移场的影响
顶、底板和两帮的最大位移(见图6)分布于采空区的顶、底部,顶板的最大下沉量为108 mm,底板的最大位移量为93.7 mm。
图3 第一主应力云图
图4 第三主应力云图
图5 剪应变云图
通过以上应力场和位移场的分析可知:底柱采场的开采,对顶、底板和两帮的影响在允许的范围之内,按照数值分析的结果,对有可能失稳的区域应采取相应措施,保证开采的安全进行。
图6 z方向上位移云图
3 安全回采方案
根据数值分析结果,结合现场实际情况,考虑利用上向凿岩台车进行机械化回采。规划如下:台车向上打5杆(每杆1.1 m),布置人工拉槽区,采用菱形对角掏槽,中间布置排气孔,拉槽区孔网参数为1.1 m ×1.1 m;侧爆区孔网参数为1.4 m×1.5 m,采场共布置117个孔,装乳化炸药进行爆破,毫秒雷管起爆,共20个段,炸药量1500 t,单耗0.4,装药系数0.7。
图7 Sh-320 m S1#底柱采场炮孔布置
4 结 论
采用数值分析方法研究了凡口矿底柱残矿回采的安全性。通过有限元软件建立三维数值模型,并进行模拟开挖计算,获取开挖引起的顶、底板和围岩的应力、应变力学响应特性,数值计算的结果表明:底柱采场的开采导致了内部应力场重新分布,在顶、底板及围岩的中部尤为突出,应力集中现象在两帮处体现最明显,此处极易发失稳垮塌或压坏等现象,应加以防范。在此基础上,可考虑采用上向凿岩台车进行回采,确保回采安全高效。
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向军(1983-) ,男,湖南怀化人,采矿工程师,主要从事井下管理和采矿技术研究。