采場巷道進(jìn)路斷面形狀和尺寸參數(shù)數(shù)值模擬與優(yōu)化

邢 軍 邱景平 張世玉 張國聯(lián) 孫曉剛

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司小官莊鐵礦一直采用無底柱分段崩落法，隨著開采深度的增加和空區(qū)體積的增大，主井井筒受井下地壓活動影響日益明顯，已經(jīng)有一定程度的變形。為保證礦山的安全生產(chǎn)，小官莊鐵礦對北區(qū)－400 ～－450 m、豎井保安礦柱以外150 m范圍內(nèi)的礦體進(jìn)行了充填采礦試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)礦塊礦巖軟破、礦體分布零散的開采技術(shù)條件，選擇上向進(jìn)路充填采礦法作為試驗(yàn)礦塊的采礦方法，為確定其合理的進(jìn)路斷面形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用FLAC3D力學(xué)軟件模擬分析，對采場的進(jìn)路斷面形狀和進(jìn)路參數(shù)進(jìn)行合理的選擇。

(1)從單一進(jìn)路圍巖的塑性區(qū)分布、圍巖主應(yīng)力差分布和圍巖變形分布3 個方面進(jìn)行模擬分析，選擇最佳進(jìn)路斷面形狀［1-2］。

(2)選取進(jìn)路寬、高、長等3 方面因素組成3 因素3 水平正交試驗(yàn)，對比最大、最小主應(yīng)力分布和圍巖變形分布的試驗(yàn)結(jié)果，選出最優(yōu)的進(jìn)路尺寸參數(shù)，為小官莊鐵礦充填采礦提供理論指導(dǎo)。

1 進(jìn)路斷面形狀優(yōu)化

1.1 數(shù)值模型及參數(shù)

目前常用的能反映巖體塑性屈服的準(zhǔn)則有Mohr－Coulomb 破壞準(zhǔn)則與Drucker－Prager 準(zhǔn)則。前者應(yīng)用于巖石力學(xué)數(shù)值分析中已很成熟，且模型中有關(guān)參數(shù)可由常規(guī)三軸試驗(yàn)求得［3-5］。因此，本模型的計算仍采用Mohr－Coulomb 模型，其準(zhǔn)則為

式中，σ1為第一主應(yīng)力，MPa;σ3為第三主應(yīng)力，MPa;c為黏聚力，MPa;φ 為摩擦角，(°);I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏張量第二不變量;θ 為與J2及應(yīng)力偏張量第三不變量有關(guān)的參量。

本模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。模型前后左右各側(cè)面及下邊界均取該面法向的位移約束，上邊界面為自由邊界。模擬開采的礦山由于條件的限制無法測定初始地應(yīng)力，因而本研究只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力的影響，上覆巖層約為550 m，施加均勻載荷。小官莊鐵礦試驗(yàn)礦塊礦巖軟破，經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)測定，本模型采用的礦巖巖石力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

1.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)根據(jù)如圖1 所示的不同進(jìn)路斷面形狀四周塑性區(qū)分布圖可知，4 種進(jìn)路斷面形狀塑性區(qū)域分布大致相同，塑性區(qū)主要集中在開挖進(jìn)路兩幫，這表明原始應(yīng)力狀態(tài)下，受巖體自身重力影響，地應(yīng)力均勻分布;進(jìn)路開挖后，應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移，在進(jìn)路兩幫形成應(yīng)力集中區(qū)域，尤其是進(jìn)路兩幫肩角和底角部分，而頂?shù)装宓膽?yīng)力集中區(qū)域相對較小，此時進(jìn)路兩幫的穩(wěn)定性對整條進(jìn)路的穩(wěn)定性影響較大［6］。

(2)根據(jù)如圖2 所示的不同進(jìn)路斷面形狀四周主應(yīng)力差值分布圖可知，4 種進(jìn)路斷面形狀的最大主應(yīng)力差值也是集中于開挖進(jìn)路兩幫，頂?shù)装宓闹鲬?yīng)力差值相對較小，此結(jié)果與進(jìn)路周圍塑性區(qū)域分布的模擬結(jié)果一致。正方形斷面進(jìn)路周圍分布最大主應(yīng)力差值為92.33 MPa，最小為21.77 MPa;三心拱斷面進(jìn)路周圍分布最大主應(yīng)力差值為101.09 MPa，最小為6.96 MPa;半圓拱斷面進(jìn)路周圍分布最大主應(yīng)力差值為94.33 MPa，最小為8.36 MPa;六邊形斷面進(jìn)路周圍分布最大主應(yīng)力差值為98.29 MPa，最小為26.92 MPa。在主應(yīng)力差值較大的集中區(qū)容區(qū)域易受到破壞，通過對邊上述4 種斷面進(jìn)路最大主應(yīng)力差值分布區(qū)域大小可知，六邊形斷面進(jìn)路主應(yīng)力差值分布相對較小，穩(wěn)定性較好。

圖1 不同進(jìn)路斷面形狀四周塑性區(qū)分布Fig.1 Plastic zone distribution around the drifts with different section shape

圖2 不同進(jìn)路斷面形狀四周主應(yīng)力差值分布Fig.2 Principal stress difference distribution around the drifts with different section shape

(3)在4 種斷面形狀進(jìn)路垂直進(jìn)路頂板方向的進(jìn)路兩幫布置一系列位移監(jiān)測點(diǎn)，記錄位移變形值w，得到圖3?？梢钥闯?，距離頂板距離越大，位移變形相對較小，這是由于距離頂板較近的肩角區(qū)域，主應(yīng)力差較大，易發(fā)生變形;距離頂板較遠(yuǎn)的區(qū)域底角區(qū)域，主應(yīng)力差較小，發(fā)生位移變形也相對較小。由圖3 可見，三心拱變形最大，六邊形變形最小，結(jié)果與進(jìn)路周圍塑性區(qū)分布以及主應(yīng)力差分布是一致的。綜上可知，在4 種斷面形狀的進(jìn)路中，六邊形斷面進(jìn)路最優(yōu)。

圖3 4 種斷面進(jìn)路監(jiān)測點(diǎn)位移散點(diǎn)圖Fig.3 Monitoring points displacement scatter diagram at 4 four kinds of drifts

2 進(jìn)路參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方案

影響回采進(jìn)路穩(wěn)定性的因素很多，由于小官莊鐵礦上向進(jìn)路充填法采礦的分層進(jìn)路平行布置，選取進(jìn)路寬、進(jìn)路高、進(jìn)路長為考察因素(依次為因素A、B、C)，每個因素各取3 個水平安排正交試驗(yàn)［7］，試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平安排Table 2 Level arrangement of orthogonal test factors

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3，極差分析結(jié)果見表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Table 4 Results of range analysis of orthogonal test

(1)利用FLAC3D模擬分析頂板的最大主應(yīng)力云圖，選取方案7 和方案9 的相關(guān)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 最大主應(yīng)力云圖Fig.4 The maximum principal stress nephogram

從圖4 中可見，每條進(jìn)路開挖過后應(yīng)力向采場四周集中，出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中區(qū)域。其中方案7 的最大主應(yīng)力最大。當(dāng)開采過的進(jìn)路充填之后，采場四周的應(yīng)力集中明顯減小，各方案均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

影響進(jìn)路穩(wěn)定性的3 種因素的σ1的平均值極差分別為16.3、2.0、4.9，即進(jìn)路寬度對開采進(jìn)路的頂板穩(wěn)定性影響最為顯著，進(jìn)路高對進(jìn)路的穩(wěn)定性影響相對較小。在開挖過程中，進(jìn)路的長度固定的情況下，進(jìn)路寬度越大，頂板的暴露面積越大，穩(wěn)定性就相對越差，故在進(jìn)路開采中選擇隔一采一的方式進(jìn)行回采，回采過后立即充填，選取適當(dāng)寬度的進(jìn)路，減小應(yīng)力集中區(qū)域，以保證進(jìn)路整體的穩(wěn)定性［8］。由上述進(jìn)路頂板及周圍最大主應(yīng)力云圖中可以看出，方案7中最大的主應(yīng)力為124 MPa，且此時進(jìn)路的寬為4 m，暴露面積相對較大，進(jìn)路穩(wěn)定性差;方案8 和9 的應(yīng)力集中區(qū)域較方案7 小，這是由于進(jìn)路寬度相同時，方案8 和9 選取的進(jìn)路長度較小。此時方案1、2、3、4、5、6 較為合理。

(2)利用FLAC3D模擬分析頂板位移云圖，選取方案1 和方案9 的相關(guān)結(jié)果如圖5 所示。從頂板位移云圖可以看出采區(qū)中部的位移明顯大于采區(qū)端部采場的位移。這是由于端部圍巖抗壓強(qiáng)大，應(yīng)力集中圍巖時不會有很大的位移出現(xiàn)，而相對于強(qiáng)度較小的充填體而言，在較大應(yīng)力場的情況下則會出現(xiàn)較大位移。

圖5 方案1 和9 豎直方向位移云圖Fig.5 Vertical direction displacement of scheme 1，9

從上述的9 種試驗(yàn)方案來看，影響進(jìn)路穩(wěn)定性的3 種因素的w 的平均值極差分別為1.73、0.59、0.71，即進(jìn)路寬度對開采進(jìn)路的頂板位移大小影響較為顯著。在開挖過程中，進(jìn)路的長度固定的情況下，進(jìn)路寬度越大，頂板的暴露面積越大，頂板豎直方向位移就越大。方案9 出現(xiàn)了最大位移為6.15 cm，這是由于選取進(jìn)路寬度4 m、進(jìn)路高度4 m、進(jìn)路長度50 m，除了暴露面積較大之外，豎直方向跨也相對較大，充填體的強(qiáng)度較小，致使豎直方向位移增加。方案1 選取的進(jìn)路尺寸參數(shù)為進(jìn)路寬度3 m、進(jìn)路高度3 m、進(jìn)路長度40 m，相對于方案9 而言，頂板暴露面積和豎直方向跨度都比較小，故方案1 的豎直方向位移僅為3.24 cm，其余各方案位移相差不大，并且都在采場安全系數(shù)允許的范圍內(nèi)，故此種情況下方案1、2、3、4、5、6 均可。但當(dāng)進(jìn)路高寬比大于1 時，進(jìn)路兩幫的塑性區(qū)明顯增大，較容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，為保證進(jìn)路的穩(wěn)定性需選擇進(jìn)路高寬比小于1 的方案，即方案1、4、5。

(3)利用FLAC3D模擬分析頂板最小主應(yīng)力云圖，選取方案1 和方案5 的相關(guān)結(jié)果如圖6 所示。

從最小主應(yīng)力云圖可以看出，每條進(jìn)路開挖過后應(yīng)力向采場四周集中，充填過后應(yīng)力集中區(qū)域明顯變小，其中方案7 的最小主應(yīng)力最大。

圖6 方案1 和5 最小主應(yīng)力云圖Fig.6 Minimum principal stress of scheme 1，5

影響進(jìn)路穩(wěn)定性的3 種因素的σ3的平均值極差分別為3.9、2.5、3.9，即進(jìn)路寬度和進(jìn)路的長度對采場頂板及周圍最小主應(yīng)力的影響較為顯著。在開挖過程中，進(jìn)路的長度固定的情況下，進(jìn)路寬度越大，頂板的暴露面積越大，采場越不穩(wěn)定;進(jìn)路寬度固定的情況下，進(jìn)路越長，相應(yīng)采場頂板暴露也會增大，同樣對采場穩(wěn)定性造成不利的影響。而進(jìn)路開挖充填后采場頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力明顯比充填前要小，且充填完成之后的拉應(yīng)力沒有超過充填的抗拉強(qiáng)度，此時采場的穩(wěn)定性是可以保證的［9-11］。在礦山實(shí)際生產(chǎn)中，需要在保證安全回采的情況下實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，即方案5 中進(jìn)路尺寸可提高生產(chǎn)能力，故方案5 最優(yōu)。

2.3 小 結(jié)

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取過程中應(yīng)該選擇較小的進(jìn)路寬度和進(jìn)路高度，這樣有利于采場整體的穩(wěn)定，但是為了增加產(chǎn)量可以適當(dāng)?shù)卦黾舆M(jìn)路的寬度和高度。結(jié)合小官莊鐵礦開采技術(shù)條件與經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，考慮安全、高效的宗旨，試驗(yàn)方案5 最為合理，即進(jìn)路寬度3.5 m，進(jìn)路高度3.5 m，進(jìn)路長度60 m。

由于小官莊鐵礦充填料漿濃度68%、灰砂比1 ∶4，進(jìn)路充填體強(qiáng)度較高，自立性較好，能夠保證上一分層礦體安全回采，且使用隔一采一的進(jìn)路開采方式時，試驗(yàn)礦塊同一分層進(jìn)行開采的進(jìn)路僅為3 ～4 條，暴露部位不連續(xù)，暴露面積小于總體面積的1/10，開采之后立即充填，分層與分層之間的進(jìn)路垂直交錯回采充填，所以下部充填體對上層礦體開采的影響很小，能夠保證充填體的整體穩(wěn)定，數(shù)值模擬的單分層進(jìn)路尺寸參數(shù)適用于小官莊鐵礦試驗(yàn)礦塊整體的分層進(jìn)路充填采礦。

該參數(shù)在小官莊鐵礦得到了應(yīng)用，充填采礦工業(yè)試驗(yàn)取得了成功［12-14］，已順利采至第7 分層(－417 m分層)，進(jìn)展過半，為軟巖且破碎的鐵礦床應(yīng)用進(jìn)路充填采礦積累了經(jīng)驗(yàn)，有效地控制了采場地壓，保障了現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

通過對4 種典型斷面形狀進(jìn)路的模擬、試驗(yàn)采場監(jiān)測研究，4 種斷面進(jìn)路開挖部分周圍塑性區(qū)分布、主應(yīng)力差分布以及位移變形分布基本一致，六邊形斷面進(jìn)路周圍主應(yīng)力差小，位移變形小，穩(wěn)定性較好，選擇六邊形斷面為最優(yōu)斷面形狀;針對影響采場穩(wěn)定性的進(jìn)路長、進(jìn)路高、進(jìn)路寬3 因素，對進(jìn)路尺寸參數(shù)進(jìn)行了模擬研究，通過比較最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及豎直方向位移分布，在保證進(jìn)路采礦安全的前提下，為提高礦山生產(chǎn)能力，選擇合理的參數(shù)為進(jìn)路寬度3.5 m，進(jìn)路高度3.5 m，進(jìn)路長度60 m。該參數(shù)在現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，有效地控制了采場地壓。研究成果對小官莊鐵礦的充填采礦結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，并對類似礦山具有借鑒意義。

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