無底柱分段崩落法放礦時壓力變化規(guī)律模擬

王成龍 ，王 穎 ，滕 飛 ，袁 帥

(1.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司， 內(nèi)蒙古 赤峰市 024327； 2.長春黃金設(shè)計院， 吉林 長春 130000)

無底柱分段崩落法放礦時壓力變化規(guī)律模擬

王成龍1，王 穎1，滕 飛2，袁 帥2

(1.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司， 內(nèi)蒙古 赤峰市 024327； 2.長春黃金設(shè)計院， 吉林 長春 130000)

通過采用離散元軟件PFC2D對放礦過程進(jìn)行模擬，研究無底柱分段崩落法在100m覆蓋層下放礦時礦體頂部動態(tài)壓力的變化規(guī)律，以記錄進(jìn)路頂部及側(cè)壁壓力。結(jié)果表明：隨著放礦的進(jìn)行其側(cè)壁壓力峰值逐漸增大，頂部壓力降低區(qū)的范圍隨著工作面的推進(jìn)逐漸減小，直至消失。兩翼向中間回采時礦體頂部將產(chǎn)生應(yīng)力集中，其礦體頂部壓力將遠(yuǎn)大于一翼向另一翼回采。

無底柱分段崩落法；放礦模擬；PFC2D； 動態(tài)壓力

0 引 言

無底柱分段崩落采礦法，因其回采安全，結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械化程度高，采準(zhǔn)工程量小，回采強(qiáng)度大，出礦效率高等突出優(yōu)點，在金屬礦山開采中得到了廣泛應(yīng)用。無底柱分段崩落法是在松散巖石的覆蓋條件下進(jìn)行放礦、落礦等回采工作，覆蓋層的形成能對頂板大面積冒落起到緩沖作用，并且是礦石擠壓爆破的必要條件。無底柱分段崩落法中的地壓現(xiàn)象主要顯現(xiàn)于進(jìn)路和聯(lián)絡(luò)道中，其回采進(jìn)路所受的壓力來源于覆蓋其上的崩落礦巖和未崩落礦巖[1]。隨著回采深度的增加，進(jìn)路上覆礦巖散體的厚度隨之增加，無論是無底柱還是有底柱都必將承受來自采礦場內(nèi)充填的散粒體廢石或散體礦石的壓力，出礦時突發(fā)產(chǎn)生的高動態(tài)應(yīng)力總是比相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力大得多，對礦體工程結(jié)構(gòu)影響很大[2]。

無底柱分段崩落法放礦是在覆蓋層下放礦，在進(jìn)路開挖前受到原巖應(yīng)力場的作用，礦巖處在原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著進(jìn)路的開挖以及回采的進(jìn)行，在回采工作面附近發(fā)生變化形成一個應(yīng)力降低區(qū)和增高區(qū)，應(yīng)力增高和降低區(qū)隨著回采工作面的推進(jìn)而不斷推移[3]。在回采期間，除靜應(yīng)力作用之外，還受到進(jìn)路支承壓力區(qū)移動影響及回采落礦時爆破振動作用。服務(wù)年限短，受力復(fù)雜，加上回采順序影響，這就構(gòu)成了進(jìn)路穩(wěn)定性的特殊性[4]。本文采用PFC2D軟件建立無底柱分段崩落法放礦模型，通過對兩種不同回采順序進(jìn)行模擬，得出礦體頂部壓力降低區(qū)和增高區(qū)隨著工作面推進(jìn)的變化規(guī)律及礦體側(cè)壁在放礦時動態(tài)壓力的變化，對礦山回采進(jìn)路的支護(hù)起到一定的參考作用。

1 模型的建立

1.1 放礦顆粒流模型

顆粒流模型理論的基本思想來源于分子動力學(xué)，是從微觀結(jié)構(gòu)上研究介質(zhì)力學(xué)特性和行為的工具并將介質(zhì)的力學(xué)行為反映為顆粒集合體的力學(xué)行為。在PFC2D中“顆粒”被認(rèn)為是剛性的，符合牛頓第二運動定律。顆粒流的接觸模型可分為接觸剛度模型、接觸滑動模型、粘結(jié)模型(接觸粘結(jié)模型，平行粘結(jié)模型)，本文采用接觸粘結(jié)模型。PFC中顆粒的細(xì)觀參數(shù)與通常意義上的宏觀參數(shù)往往有很大的差別，因此要通過大量的數(shù)值實驗來獲取顆粒的宏觀參數(shù)，然而目前還沒有完善的理論可以根據(jù)顆粒間的微觀參數(shù)進(jìn)而推算出介質(zhì)的宏觀參數(shù)，通常采用反復(fù)調(diào)整微觀參數(shù)的分析方法來反算介質(zhì)的宏觀力學(xué)參數(shù)。數(shù)值模擬最終獲得的宏觀參數(shù)與實際參數(shù)對比見表1和表2。

1.2 放礦模型

利用“墻體”作為模型的邊界，模型寬度為100m，高度為124m(其中廢石覆蓋層高度100m)。模型“墻體”分段建立，以便于對“墻體”的受力以每50步一次進(jìn)行監(jiān)測。對它們進(jìn)行控制實現(xiàn)分步距放礦，放礦步距為4m，共計12個步距。模型總共生成23046個顆粒。根據(jù)上述的微觀參數(shù)標(biāo)定對顆粒進(jìn)行賦值并在重力加速度作用下達(dá)到平衡，最后對球體的應(yīng)力、速度和位移進(jìn)行初始化，得到放礦模型(見圖1)。其中礦體中軸線為Y軸，回采進(jìn)路為X軸，兩邊各50m。

表1 礦石散體宏觀參數(shù)的模擬值與實際值對比

表2 廢石散體宏觀參數(shù)的模擬值與實際值對比

圖1 放礦模型

1.3 模擬放礦方案

模型建立后，使模型中的顆粒到達(dá)平衡狀態(tài)，考慮到模型生成的顆粒較多以及計算機(jī)的計算能力，在生成顆粒和系統(tǒng)平衡時分7次進(jìn)行，每次生成一部分顆粒使系統(tǒng)達(dá)到相對平衡后再生成另一部分顆粒，因而系統(tǒng)的平均不平衡力有7次較大的波動，當(dāng)生成全部顆粒后將模型系統(tǒng)運行至最終平衡，系統(tǒng)平均不平衡力隨時步的變化。當(dāng)模型到達(dá)平衡后礦體頂部受力也將達(dá)到穩(wěn)定，礦體頂部初始受力如圖2所示。

圖2 礦體頂部初始受力

模型中礦體頂部初始受力并非均勻分布，總體上呈現(xiàn)兩邊低中間高。魏群[6]采用顆粒離散元法模擬筒倉倉底壓力所得結(jié)果為中間大，兩邊小，由于散體生成的多變性使其峰值點出現(xiàn)位置不一致，但總體上與本次模擬相吻合。

本次模擬采用2種不同的放礦順序，方案Ⅰ為兩邊向中間同時放礦，方案Ⅱ為從左到右放礦,通過刪除相應(yīng)的墻體以及顆粒來實現(xiàn)不同順序放礦方式。

2 模擬放礦及受力分析

初始穩(wěn)定后，開始放礦之前整個模型處于受力平衡狀態(tài)。當(dāng)放礦一旦開始，模型中的受力平衡態(tài)即被打破，顆粒受合力與力矩作用，開始發(fā)生速度和空間位置的變化。利用 PFC中命令，自動檢測顆粒位置，當(dāng)顆粒落入到進(jìn)路空間位置區(qū)間時，通過刪除這些顆粒來模擬無底柱分段崩落法放礦的過程。根據(jù)調(diào)試，確定每循環(huán)15000時步刪除放出顆粒。

為了節(jié)省篇幅，方案Ⅰ、Ⅱ中分別記錄了第一步距、第九步距放礦開始至放礦結(jié)束時側(cè)壁壓力與礦體頂部壓力(見圖3、圖4)。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出：

(1) 放礦時側(cè)壁壓力的最大值有突然增大、減小的趨勢，這是由于放礦時放礦口打開，在放礦口上出現(xiàn)壓力拱，放礦中在不同高度壓力拱形成與崩解的過程[7]，可知當(dāng)壓力最大時其側(cè)壁出現(xiàn)壓力拱。

(2) 第一步距放礦時，隨著放礦的進(jìn)行側(cè)壁X、Y方向壓力逐漸減小，當(dāng)放礦結(jié)束后側(cè)壁所有的測點X，Y方向普遍小于初始應(yīng)力，如圖3(a)，(b)所示，這是因為第一步距放礦時其側(cè)壁礦巖散體量較少，并不能形成完整的壓力拱。

(3) 隨著回采的進(jìn)行，放礦放至第九步距在放礦的動態(tài)過程中側(cè)壁所受到的力是反復(fù)的，隨著拱的形成與崩解使其側(cè)壁壓力曲線產(chǎn)生突變。隨著放礦的進(jìn)行X，Y方向上各測點力的大小都會波動并且總體上逐漸增大。

(4) 礦體頂部壓力并非均勻分布，但大致為中間大兩邊小，呈現(xiàn)波動。隨著放礦的進(jìn)行礦體頂部壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫档蛥^(qū)，壓力升高區(qū)，壓力平穩(wěn)區(qū)。壓力降低區(qū)由放礦口向一邊擴(kuò)展，升高區(qū)在壓力降低區(qū)之后，壓力急劇上升至最大值。壓力平穩(wěn)區(qū)在壓力升高區(qū)之后。第一步距放礦時壓力降低區(qū)范圍工作面往后3個步距內(nèi)，壓力升高區(qū)為壓力降低區(qū)后6個步距內(nèi)，第九步距放礦壓力降低區(qū)基本消失。

圖4 方案Ⅰ各步距放礦時頂部壓力曲線

方案Ⅱ記錄了各步距放礦體頂部Y方向受力，隨著放礦的進(jìn)行礦體頂部受力曲線如圖5所示。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出：

(1) 第一步距放礦時存在壓力降低區(qū)，其范圍為工作面往后3個步距內(nèi)。壓力升高區(qū)范圍為壓力降低區(qū)后6個步距范圍內(nèi)。同方案Ⅰ一致，但壓力平穩(wěn)區(qū)范圍增大。

(2) 第九步距放礦時壓力降低區(qū)消失。

(3) 隨著放礦的進(jìn)行，在中間的出礦進(jìn)路上方壓力有所增加，但增加程度明顯小于方案Ⅰ。

圖5 方案Ⅱ礦體頂部受力

3 結(jié) 論

(1) 隨著無底柱分段崩落法開采深度的增加，覆蓋層的厚度也呈現(xiàn)增加，覆蓋層下放礦礦巖散體流動時的動態(tài)應(yīng)力將嚴(yán)重影響回采進(jìn)路的穩(wěn)定性。本文使用PFC2D模擬了覆蓋層高度為100 m時整個放礦過程中礦體的側(cè)壁壓力以及頂部壓力，較好的反映了放礦時側(cè)壁以及頂部的壓力變化規(guī)律。

(2) 在放礦中，側(cè)壁的壓力此起彼伏，礦體側(cè)壁的受力是一個循環(huán)加載的過程。

(3) 隨著放礦的進(jìn)行，礦體側(cè)壁壓力將增大，側(cè)壁壓力動載荷常會導(dǎo)致高應(yīng)力巷道失穩(wěn)塌陷。在工作面附近的回采進(jìn)路應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(4) 方案Ⅰ中，第一步距放礦時礦體頂部壓力降低區(qū)范圍工作面往后3個步距內(nèi)，壓力升高區(qū)壓力降低區(qū)后6個步距內(nèi)。第九步距放礦礦體頂部壓力降低區(qū)消失，其礦體頂部壓力均比礦體頂部初始受力大。由此可知隨著工作面的推進(jìn)，壓力降低區(qū)逐漸減小直至消失，礦體頂部受力在隨后幾個步距內(nèi)將逐漸增大。為了防止回采進(jìn)路冒頂、片幫等，應(yīng)對回采進(jìn)路進(jìn)行二次支護(hù)。

(5) 通過對比方案Ⅰ與方案Ⅱ礦體頂部受力曲線，方案Ⅰ中兩邊礦體頂部壓力升高區(qū)相遇時將產(chǎn)生應(yīng)力疊加，其最大壓力將達(dá)到方案Ⅱ礦體中部壓力的兩倍。

[1]熊國華，趙懷遙.無底柱分段崩落采礦法[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1988：136-137.

[2]戴興國，古德生.出礦時產(chǎn)生高動態(tài)應(yīng)力的計算[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報,1992,23(4):387-388.

[3]吳少華.無底柱分段崩落法采礦進(jìn)路受力過程分析[J].化工礦山技術(shù),1993：16-18.

[4]李兆權(quán)，龔親容.程潮鐵礦回采進(jìn)路穩(wěn)定性與支護(hù)選擇的研究[J].金屬礦山，1994(12)：22-24.

[5]田瑞霞,焦紅光.離散元軟件PFC在礦業(yè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析[J].礦冶,2011，20(1)：79-80.

[6]魏 群.離散單元法的基本原理數(shù)值方法及程序[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[7]朱煥春.PFC及其在礦山崩落開采研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006，25(9):1928-1931.

[8]王培濤,楊天鴻,柳小波.邊孔角對無底柱分段崩落法放礦影響的顆粒流數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山,2010(3):12-16.(收稿日期：2016-09-27)

王成龍(1986-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，采礦工程師，主要從事采礦管理與研究工作，Email：307888140@qq.com。