朱國輝,胡平安

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院,湖南長沙 410011;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

·采 選·

大紅山銅鐵礦地壓活動規(guī)律數(shù)值模擬分析

朱國輝1,胡平安2

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院,湖南長沙 410011;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

頻繁的地壓活動對大紅山銅鐵礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。通過礦區(qū)地壓演化過程的數(shù)值模擬分析,掌握了礦區(qū)地壓活動產(chǎn)生的原因及規(guī)律,根據(jù)模擬結(jié)果提出了相應(yīng)的治理措施。研究結(jié)果對控制礦區(qū)地壓及安全生產(chǎn)具指導(dǎo)作用。

地壓活動;數(shù)值模擬;塑性區(qū);拉應(yīng)力區(qū)

受工程地質(zhì)條件復(fù)雜及多中段高強度開采影響,大冶大紅山銅鐵礦區(qū)發(fā)生了較明顯的地壓活動,主要表現(xiàn)在:采場頂、底板圍巖發(fā)生大面積跨塌;部分礦(間)柱產(chǎn)生張裂縫及滑移,采場內(nèi)大量充填料沿張裂縫泄漏;穿脈巷道出現(xiàn)冒頂、片幫及底鼓,地壓活動出現(xiàn)從局部向全礦區(qū)發(fā)展的趨勢,對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

為了解地壓活動產(chǎn)生原因,準(zhǔn)確預(yù)測礦區(qū)地壓活動發(fā)展趨勢,開展了礦區(qū)地壓活動規(guī)律數(shù)值模擬分析,結(jié)論與建議對礦區(qū)地壓控制及安全生產(chǎn)具一定指導(dǎo)作用。

1 礦區(qū)概況及開采技術(shù)條件

1.1 礦區(qū)概況

礦區(qū)三面環(huán)湖,南面居民房屋、學(xué)校、工礦企業(yè)密集,武-九鐵路、大-金省道緊繞礦區(qū)而過,地表不允許塌陷。

礦區(qū)-200 m以上民采空區(qū)積水嚴(yán)重,現(xiàn)已停止采礦活動,-200～-220 m標(biāo)高間設(shè)20 m厚防水隔離礦柱,-220 m以下屬大冶大紅山銅鐵礦開采范圍,共設(shè)-270 m、-320 m、-370 m、-420 m 4個中段。兩步驟回采,一步驟礦房采用淺孔留礦法開采,嗣后分級尾砂膠結(jié)充填;二步驟礦(間)柱采用上向低分段空場法開采,嗣后分級尾砂充填。為滿足開采規(guī)模要求,礦區(qū)實行多中段生產(chǎn)。因某方面原因,已造成-320 m、-370 m中段部分礦房、礦柱完全錯位。

1.2 開采技術(shù)條件

礦床屬中酸性花崗閃長斑巖與嘉陵江組灰?guī)r接觸交代作用形成的高中溫?zé)嵋何◣r型銅鐵礦床。礦體受舌狀體或捕虜體和反“S”型接觸帶構(gòu)造控制。主礦體走向長900 m,厚4～100 m,傾角5°～85°,傾向延伸 50～550 m,平均品位 Cu:1.37%,TFe: 37.26%,Au:0.46 g/t,Ag:7.07 g/t。

礦體頂、底盤圍巖為花崗閃長巖、大理巖及矽卡巖?；◢忛W長巖堅硬穩(wěn)固,大理巖強度高,但層理面發(fā)育,矽卡巖與礦巖接觸帶內(nèi)巖體松軟、破碎。其中礦體與下盤花崗閃長巖接觸帶一旦揭露遇水即發(fā)生膨脹崩解,強度迅速降低。礦體與上盤大理巖接觸帶部位巖體強度相對較低,但接觸帶影響寬度較小,且結(jié)合較緊密。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。直接頂板大理巖溶發(fā)育。強巖溶發(fā)育帶底部平均標(biāo)高-72.47 m,弱巖溶發(fā)育帶底部平均標(biāo)高-326.84 m,弱帶以下巖溶基本消失。礦區(qū)實施帷幕注漿防治水工程后,幕內(nèi)外水位差達36.48～36.91 m,堵水率60%左右。

2 數(shù)值分析模型的創(chuàng)建

2.1 模型的建立

數(shù)值模擬的可靠性一定程度上取決于所選取的計算模型。因礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜,三維建模繁雜,且根據(jù)工程實踐,同等條件下,二維數(shù)值模擬結(jié)果較三維數(shù)值模擬結(jié)果在應(yīng)力和位移方面高約10%,此對工程巖體穩(wěn)定性評價是有利的,故本次分析采用二維模型。

數(shù)值模擬采用有限元分析軟件。礦房垂直投影尺寸12.5 m×46 m,高50 m。為更真實地反映礦區(qū)地壓演變過程,避免應(yīng)力過度集中,礦房頂、底部邊角進行了圓角處理。

需要指出的是:數(shù)值模擬無論采用二維還是三維模型,均經(jīng)過了較多簡化,與實際情況存在一定差異,計算結(jié)果雖不能完全準(zhǔn)確地反應(yīng)客觀實際,但用于宏觀定性分析有較好的參考作用。就本研究而言,數(shù)值模擬結(jié)果在一定程度上反映了采礦活動對礦巖及充填體穩(wěn)定性的影響,初步揭示了礦區(qū)地壓活動規(guī)律特征,對礦區(qū)合理回采順序的選擇具一定指導(dǎo)作用。

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值計算結(jié)果的可靠性還取決于巖體力學(xué)參數(shù)選取的合理性,受客觀條件及技術(shù)難度影響,進行現(xiàn)場大型原位巖體力學(xué)參數(shù)試驗十分困難。一般工程則以實驗室?guī)r塊試驗為基礎(chǔ),同時考慮巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng),結(jié)合工程實踐對巖塊力學(xué)參數(shù)進行適當(dāng)修正得到數(shù)值計算所用材料參數(shù),詳見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 原巖應(yīng)力場

根據(jù)中科院武漢巖土力學(xué)研究所提供的礦區(qū)原巖應(yīng)力測試結(jié)果表明:礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平方向的構(gòu)造應(yīng)力,其次為垂直方向的自重應(yīng)力,二者比值0.46～1.36。本研究計算中,垂直方向應(yīng)力按自重應(yīng)力計算。其中-320 m水平垂直方向自重應(yīng)力約為9.50 MPa,水平方向的應(yīng)力約為13 MPa。

2.4 礦巖破壞準(zhǔn)則

圍巖破壞按兩種情況考慮:

1.張拉破壞。處于空區(qū)頂部巖體,受自重作用而產(chǎn)生受拉破壞。受拉應(yīng)力作用巖體破壞方式按最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則處理,即:

2.壓剪破壞。開挖作用影響,空區(qū)周邊會產(chǎn)生壓應(yīng)力集中。處于壓應(yīng)力集中區(qū)的巖體,可能產(chǎn)生壓剪破壞。壓剪破壞采用德魯克-普拉格(Drucker -Prager)準(zhǔn)則。即:

式中I1為第一應(yīng)力不變量;J2為第二偏應(yīng)力不變量;α、β為正常數(shù),它可由巖塊的c,φ求得:

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 -270 m中段礦房開采時

1.圍巖中僅局部產(chǎn)生較大位移。最大位移產(chǎn)生在端部礦(間)柱中央,方向近似水平,指向采空區(qū)。

2.礦房開采后,礦(間)柱中水平方向應(yīng)力得到解除,垂直方向應(yīng)力變?yōu)樽畲笾鲬?yīng)力。在端部礦房中,出現(xiàn)較大范圍的垂直方向的拉應(yīng)力,中間礦(間)柱中,出現(xiàn)量值較小的水平方向的拉應(yīng)力(見圖1)。

3.礦房頂、底部出現(xiàn)局部塑性區(qū),范圍較小。

圖1 -270 m中段礦(間)柱中拉應(yīng)力情況

3.2 充填-270 m中段礦房、開采-320 m中段礦房時

1.-270 m中段礦房采空區(qū)充填后,該中段礦(間)柱垂直方向應(yīng)力值有所降低;受充填體作用,礦(間)柱中的水平拉應(yīng)力消失。

2.-320 m中段礦房開采所形成的拉應(yīng)力區(qū)形狀與上中段礦房開采時所形成的形狀基本一致,主要發(fā)生在礦(間)柱中。端部礦房拉應(yīng)力方向垂直,量值最大。中間礦房拉應(yīng)力方向水平,量值較小(見圖2)。

圖2 -320中段開采時礦(間)柱中拉應(yīng)力情況

3.礦房頂部出現(xiàn)較小范圍的塑性區(qū)。

4.充填體中的應(yīng)力為壓應(yīng)力,但量值較小。

3.3 不充填-320 m中段礦房直接開采-370 m礦房時

1.由于上下礦房、礦(間)柱不對應(yīng),開采-370 m水平礦房之后,-320 m礦房與-370 m礦房之間形成較大范圍塑性區(qū),塑性區(qū)貫通了整個頂?shù)字?見圖3)。

圖3 -320 m中段貫通的塑性區(qū)

2.除上部礦房開采時在礦(間)柱中產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)之外,-370 m中段礦房頂部也出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),而且拉應(yīng)力量值明顯增大。

3.4 充填所有礦房后開采-270 m中段礦(間)柱時

1.當(dāng)開采礦(間)柱時,主要荷載還是由遠處其余礦(間)柱承擔(dān),充填體只承擔(dān)了較小一部分荷載(見圖4)。

圖4 礦房充填體中應(yīng)力分布

2.從計算結(jié)果來看,在礦(間)柱開采時,充填體產(chǎn)生了較大范圍的塑性區(qū),該塑性區(qū)水平方向上完全貫通了整個充填體(見圖5)。

3.礦(間)柱開采時,其空區(qū)頂部產(chǎn)生了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),可能影響-200～-220 m間隔離礦柱的穩(wěn)定(見圖6)。

3.5 所有礦房充填后開采-320 m中段礦(間)柱時

1.開采-320 m中段礦(間)柱時塑性區(qū)范圍及應(yīng)力大小與開采-270 m中段礦(間)柱情形基本一致。

圖5 充填體在水平方向產(chǎn)生貫通性塑性區(qū)

圖6 空區(qū)頂部(隔離礦柱)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)

2.在空區(qū)頂部,出現(xiàn)更大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。對應(yīng)的頂部礦(間)柱中垂直方向的壓應(yīng)力得到了部分釋放(見圖7)。

圖7 空區(qū)頂部出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)

4 結(jié)論與建議

1.一步驟礦房開采建議按從上至下單中段或相鄰上、下兩個中段同時生產(chǎn);合理布置采場,確保礦房、礦柱上、下對應(yīng);堅持“強采強出強充”原則,盡量縮短采場回采周期;保證礦房充填體強度,確保二步驟礦(間)柱回采安全。

2.礦房開采過程中,礦柱經(jīng)歷了“由垂直方向出現(xiàn)拉應(yīng)力到水平方向應(yīng)力解除再到垂直方向應(yīng)力增大”的應(yīng)力演化過程,該過程使礦柱中的結(jié)構(gòu)面經(jīng)歷了“垂直方向張開至垂直方向閉合進而沿結(jié)構(gòu)面滑移”的一個過程,這是礦柱中部急傾斜結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生破壞的根本原因。

3.礦柱中部的主應(yīng)力方向產(chǎn)生了互換。礦柱兩側(cè)礦房開采后,垂直方向壓應(yīng)力增大,水平方向壓應(yīng)力基本為零,此時礦柱中結(jié)構(gòu)面很易產(chǎn)生受壓破壞。

4.基于結(jié)論與建議2、3方面原因,對長大礦柱的回采,可考慮在其長軸方向上將礦房分解為2～3個采場,以改善礦柱的受力狀況,減少礦房開采對礦柱的破壞。

5.上、下礦柱不對應(yīng)造成上、下相鄰礦房之間礦柱產(chǎn)生貫通性塑性區(qū)以及對應(yīng)礦柱垂直方向應(yīng)力部分解除是大紅山礦區(qū)產(chǎn)生威脅性地壓活動的兩個重要誘導(dǎo)因素。

6.礦房充填體對改善礦柱的應(yīng)力分布起到了重要作用。礦房開采后,宜盡快充填,盡量地降低暴露時間;充填體要有足夠強度,應(yīng)能完全承擔(dān)荷載。

7.-200～-220 m防水隔離礦柱下礦柱回采會在隔離礦柱中形成拉應(yīng)力區(qū),對隔離礦柱的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。因此,在礦區(qū)上部民采空區(qū)積水威脅解除之前,建議各中段礦柱的回采順序采用先采下部礦柱后采上部礦柱的上行式順序,且礦柱回采時,應(yīng)加強兩側(cè)礦房充填體的保護及全礦區(qū)地壓監(jiān)測。

[1] 蔡美峰.金屬礦山采礦設(shè)計優(yōu)化與地壓控制—惠顧論與實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

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Numerical Simulation Analysis of the Rule of Geostatic Activity in Dahongshan Copper-iron Mine

ZHU Guo-hui1,HU Ping-an2

(1.Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Changsha410011,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

Frequent geostatic activity has been a serious threat to production safety in the Dahongshan copper-iron mine.Through numerical simulation analysis of the evolution process of geostatic activity in the mining area,the reason and rule of the geostatic activity has been taken,and corresponding control measures has been brought up according to the simulation results.Research results have a guiding role to control geostatic activity and safety production.

geostatic activity;numerical simulation;plastic zone;tensile stress area

TD167

A

1003-5540(2011)05-0001-04

朱國輝(1965-),男,高級工程師,主要從事采礦工程設(shè)計工作。

2011-08-20