基于FLAC3D大冶鐵礦礦柱回采過程的應(yīng)力分析

周德紅，李　文，馮　豪，王浩然

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

基于FLAC3D大冶鐵礦礦柱回采過程的應(yīng)力分析

周德紅，李文，馮豪，王浩然

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

為了增加資源回收率，金屬非金屬礦山在回采后期需要對殘留礦柱進行二次回采.礦柱結(jié)構(gòu)破壞必然引發(fā)采場力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，甚至影響整個采空區(qū)的穩(wěn)定性.以大冶鐵礦礦柱回采過程為例，選用動力有限元法分析其采空區(qū)動力擾動下的響應(yīng)特征及應(yīng)力分布規(guī)律.選取直徑3 m、高12 m的豎直圓形礦柱采用FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）對礦柱應(yīng)力隨時間變化情況進行數(shù)值模擬分析.模擬分析結(jié)果表明，礦柱負載分別在20 MPa，40 MPa的情況下，動力擾動對礦柱的影響隨其負載的增大越來越明顯，在動力擾動下礦柱越容易導(dǎo)致失穩(wěn)破壞.礦柱的負載越小，整個采場的穩(wěn)定性、安全性也就越好，因此，在為礦柱回采進行充填設(shè)計時，應(yīng)充分考慮礦柱的負載作用.

礦柱；應(yīng)力；FLAC3D；采空區(qū)

2　模型的建立

2.1工程概況

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū).大冶鐵礦為低山-丘陵組成的山丘-盆地地形，山脈走向NWW，與構(gòu)造線走向一致.地勢北高南低，低山與丘陵之間走向為NWW-SEE.鐵門坎采區(qū)淺部礦體于1984年7月結(jié)束露天開采，坑底標高-36 m. -36 m以下及掛幫礦轉(zhuǎn)為地下開采.該礦區(qū)地下開采工程由長沙黑色冶金礦山設(shè)計院設(shè)計，階段高60 m，分段高12 m，采礦方法為無底柱分段崩落法開采.該采區(qū)基建工程于1995年竣工投產(chǎn).到2005年底，-62 m分段及以上分段已由大冶鐵礦井下車間采用無底柱分段崩落法開采完畢.

各區(qū)段分層礦柱統(tǒng)計：其中-62 m到-50 m區(qū)段由于充填有大量黃泥，為防止-62 m分段的黃泥下泄影響下分段的采礦，對-62 m分段底柱與點柱不予開采，故不作統(tǒng)計.各分段統(tǒng)計礦柱如表1所示.由表1可知，鐵門坎采區(qū)-50 m到-110 m區(qū)段，頂?shù)字急?4.5%，點柱占比15.5%，也就是說殘留礦柱主要是頂?shù)字?；殘留礦柱約77 677 m3，礦石體質(zhì)量按4.12 t/m3計算，資源儲量32.0萬噸.從安全回采來看，-110 m分段底柱列入下區(qū)段回收較妥，故本區(qū)段可回收礦柱約63 217 m3，資源儲量為26.0萬噸.

表1　礦柱統(tǒng)計表Tab.1　Pillar statistics table

2.2數(shù)值模型網(wǎng)格的建立

圍巖和礦體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)前人研究的大冶鐵礦巖體物理力學(xué)參數(shù)選?。?-9］，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，各計算參數(shù)取值見表2.

表2　材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.2　Material physical and mechanical parameters

圖1　礦柱靜力模型Fig.1　Pillar static model

選取礦柱直徑3 m、高12 m的豎直圓形礦柱進行計算模擬分析.為了模擬豎直方向的地應(yīng)力，模型上邊界施加一豎直方向的靜載（負荷），下邊界施加位移約束.為考察動力擾動對礦柱的影響，在模型上邊界施加動力荷載.礦柱的靜力模型、動力模型、計算網(wǎng)格見圖1、圖2和圖3.

3　模擬結(jié)果及分析

3.1設(shè)計計算方案

首先，為了考察礦柱的承載能力，計算當高徑比為4∶1時，礦柱在不同靜壓力下的應(yīng)力和變形情況.基于此，為了進行動力擾動分析，在礦柱模型頂端施加應(yīng)力波荷載.選用正弦脈沖來分布荷載（見圖4）.當擾動應(yīng)力波的峰值分別取pmax= 10 MPa、30 MPa時，分析計算靜載大小對礦柱的影響.

圖2　礦柱動力模型Fig.2　Pillar dynamic model

圖3　數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分模型Fig.3　Meshing model of numerical simulation

3.2礦柱應(yīng)力荷載模擬分析

根據(jù)工程地質(zhì)，利用FLAC3D程序強大的后處理功能［10-15］，對大冶鐵礦礦柱回采過程進行安全性分析，限于篇幅，這里只給出礦柱動力模擬分布圖.

分別取礦柱模型高0 m、6 m和12 m處橫截面中心點作為動態(tài)信息記錄對象，以研究應(yīng)力波作用對礦柱的應(yīng)力變化.在時間變化時，負載為pmax= 10 MPa、30 MPa時最大主應(yīng)力的變化情況見圖5～圖16.

圖4　應(yīng)力波時程曲線Fig.4　Time curve of stress wave

圖5　p=20 MPa、pmax=10 MPa、z=0 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.5　Time curve of maximum principal stress at p=20 MPa，pmax=10 MPa and z=0 m

圖6　p=20 MPa、pmax=10 MPa、z=6 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.6　Time curve of maximum principal stress atp=20 MPa，pmax=10 MPa and z=6 m

模擬過程顯示，模型單元最大主應(yīng)力在負載p=20 MPa、應(yīng)力波峰值pmax=10 MPa時曲線如圖5、圖6和圖7所示；主應(yīng)力時程曲線在應(yīng)力波峰值pmax=30 MPa時如圖8、圖9和圖10所示.對比表明，模型上部單元的應(yīng)力在應(yīng)力波作用后變化較為穩(wěn)定，模型中部和下部單元的應(yīng)力變化有少許波動；隨著應(yīng)力波峰值的增大，礦柱模型單元的最大主應(yīng)力變化不明顯.

圖7　p=20 MPa、pmax=10 MPa、z=12 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.7　Time curve of maximum principal stress at p=20 MPa，pmax=10 MPa and p=12 m

圖8　p=20 MPa、pmax=30 MPa、z=0時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.8　Time curve of maximum principal stress atp=20 MPa，pmax=30 MPa and z=0 m

圖9　p=20 MPa、pmax=30 MPa、z=6 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.9　Time curve of maximum principal stress atp=20 MPa，pmax=30 MPa and z=6 m

圖10　p=20 MPa、pmax=30 MPa、z=12 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.10　Time curve of the maximum principal stress at p=20 MPa，pmax=30 MPa and z=12 m

圖11　p=40 MPa、pmax=10 MPa、z=0 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.11　Time curve of maximum principal stress at p=40 MPa，pmax=10 MPa and z=0 m

圖12　p=40 MPa、pmax=10 MPa、z=6 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.12　Time curve of maximum principal stress atp=40 MPa，pmax=10 MPa and z=6 m

圖13　p=40 MPa、pmax=10 MPa、z=12 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.13　Time curve of maximum principal stress at p=40 MPa，pmax=10 MPa and z=12 m

圖14　p=40 MPa、pmax=30 MPa、z=0 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.14　Time curve of maximum principal stress atp=40 MPa，pmax=30 MPa and z=0 m

圖15　p=40 MPa、pmax=30 MPa、z=6 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.15　Time curve of maximum principal stress atp=40 MPa，pmax=30 MPa and z=6 m

圖16　p=40 MPa、pmax=30 MPa、z=12 m時最大主應(yīng)力時程曲線Fig.16　Time curve of maximum principal stress at p=40 MPa，pmax=30 MPa and z=12 m

單元最大主應(yīng)力時程曲線在負載p=40 MPa、應(yīng)力波峰值pmax=10 MPa時如圖11、圖12和圖13所示；單元最大主應(yīng)力的時程曲線在負載p=40 MPa、應(yīng)力波峰值pmax=30 MPa時如圖14、圖15和圖16所示.根據(jù)模型上中下部單元的應(yīng)力特征，上、中、下部單元的應(yīng)力在應(yīng)力波作用后有較大變化；隨著應(yīng)力波峰值的增大，礦柱模型單元的最大主應(yīng)力變化不明顯.

4　結(jié)　語

以大冶鐵礦采空區(qū)內(nèi)礦柱作為研究對象，對數(shù)值分析方案進行了設(shè)計，對采空區(qū)礦柱在動力擾動下的響應(yīng)動力特征選用動力有限元法進行了綜合分析.

通過對回采礦柱的動力模擬分析，可以得出如下結(jié)論：

1）當?shù)V柱負載p=20 MPa時，礦柱模型單元的應(yīng)力變化總體較穩(wěn)定，模型單元應(yīng)力值在應(yīng)力波作用前后基本保持不變，說明負載20 MPa的該礦柱在選取的動力擾動下穩(wěn)定性較差.

2）在負載p=40 MPa時，在應(yīng)力波作用過程中及作用之后，礦柱模型單元應(yīng)力變化的波動現(xiàn)象十分明顯，而且隨著應(yīng)力波峰值的增大，單元應(yīng)力波動幅度也有所增大.

3）以上2種荷載情況表明，隨著礦柱荷載的增大，動力擾動對礦柱模型的影響越來越明顯，模型也表現(xiàn)出越來越不穩(wěn)定.表明礦柱隨著所受應(yīng)力的增大，也越易引起失穩(wěn)而破壞.由此，當為礦柱的回采進行充填設(shè)計時，要考慮到礦柱的負載作用，礦柱的負載越小，整個采場的穩(wěn)定性越好.

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本文編輯：龔曉寧

Stress Analysis on Pillar Recovery Process of Daye Iron Mine Based on FlAC3D

ZHOU Dehong，LI Wen，F(xiàn)ENG Hao，WANG Haoran
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

To increase resource recovery，the residual pillars are needed for secondary recovery at the late stage in the metal and non-metal mines.However，the damage of the pillar structure can lead to the changes of the stope mechanic status，and even affects the stability of the whole mined-out area.Taken Daye iron mine as a case，the response characteristics and distribution discipline of the goaf were analyzed under the dynamic disturbance by using the dynamic finite element analysis.The stress changes with time of the vertically circular pillar with the diameter of 3 m，height of 12 m were simulated using FLAC3D.Results show that，at the pillar loads of 20 MPa，40 MPa，the affect of the dynamic disturbance is more obvious on the pillars with the load increasing，easily causing instability of the pillars.The stability and safety are better in the entire stope when the pillar load is smaller.Thus，we should take full account of the pillar load during the refilling design.

pillar；stress；fast lagrangian analysis of continua；goaf

TD853，TD325

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.015

1674-2869（2016）03-0277-06

1引言

2016-04-22

2015年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目（hubei-0008-2015AQ）；湖北省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2015年、2016年安全生產(chǎn)專項資金項目；湖北省教育廳2014年度高校青年教師深入企業(yè)行動計劃項目（XD2014132）；武漢工程大學(xué)2014年研究生教育教學(xué)改革研究項目（yjg201407）

周德紅，博士，副教授.E-mail：zhoudehongwuhan@163.com坍塌.了解礦山采空區(qū)群的整體穩(wěn)定性，研究承受高應(yīng)力下礦柱對動力擾動的響應(yīng)有非常重要的實踐指導(dǎo)意義［1-3］.基于上述考慮，在對現(xiàn)場詳盡調(diào)查的基礎(chǔ)上，筆者選用動力有限元法研究湖北大冶鐵礦采空區(qū)動力擾動下的響應(yīng)動力特征，通過使用FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）軟件計算，綜合分析采空區(qū)礦柱負載在20 MPa、40 MPa的情況下的應(yīng)力分布規(guī)律，為礦柱安全回采、充填設(shè)計提供理論依據(jù).

為了增加資源回收率，金屬非金屬礦山在回采后期需要對殘留礦柱進行二次回采.礦柱結(jié)構(gòu)破壞必然引發(fā)采場力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，甚至影響整個采空區(qū)的穩(wěn)定性.礦柱的回收對于采空區(qū)處理、資源節(jié)約等方面具有重要的經(jīng)濟和安全意義，正確合理確定礦柱回采方式是礦柱回收過程中必須解決的關(guān)鍵問題.大量工程實踐案例表明，礦山采空區(qū)任一礦柱的失穩(wěn)易形成多米諾連鎖效應(yīng)的