充填采矿法矿块组合形式及其稳定性模拟分析.pdf

，1 3 充填采矿法矿块组合形式 及其稳定性模拟分析 - p U3 长沙 有色冶金设计研 究院阵 置辉胡 菊南 式及不同荷裴条件，按开采的先后顺亭 进行了分步开挖模拟计算，从而对其回采时顶桩匿岩及矿柱的 ／ 蚰 位 兰 定 篓 ．豫 秽 关 键 词 充 填 法 组 合 方 式 稳 定 性 数 焦 搓 翌 一‘上 多 ， 矽 ／ 1 概 述 充填 采矿 法是有色与 贵重 金属矿 山的主 要 采矿 方法之一，其 比重 日益加 大，特别是 当 采矿逐渐向深部延深时，地压增大，地压 管 理越加复杂 ，充填 法就 显示出更多的优越 性 。本文仅 以胶结充填法 为例，对其矿 房、 矿 柱 的几种组 合形式进 行研究，对 其布置和 应 用提 供一 些有意义 的设 想。 充 填法矿房 ，矿 柱的组台形式 主要有 以 下 几种型式 。即一房一柱 间隔回采，二房一 柱 间厢回采； 一房 三柱 间隔回采} 一房 多柱 棋 盘式 回采 “ ，见 图 l至 图 4。这些 组 台 形 式各 有其 特点 但 以何 种方式回采对 萄岩 的稳定性和回采作业条件更有利，仍是岩石 力 学研究的重要课 题。本 文对其 进 行 了 研 究 ，剖 析其优 缺点 。 O m 对 扁 _ ● 一 5 矿体走 2 3 ， 4 口 ／夕 乡 _ 1 口 一 - ● - ● _ _ 2 6 7 5 ● 3 O 。 b ． ● 围2二房一 拄组合 方 式示 童 1 ／ ／ ／ ／ ’／ 。 __I ／5 ／ 2 ／ 体走向 。 ． n ／ ≤ ／ ／ ’。 ． 围3一房 三柱组合方 式示意 0 0 0 _’ ； 。 口 ’口 ‘ 日 0一 兽 ．． 。 ．。 口 一 充 矿舟 日 填 矿房 霜 - 体 ～ ‘ I ’ 、 ，。 、 1 ’ _ 、 一 口 。 、 7 ． 兽 ● 0 ’ ’ ‘； 一 _ 图 1一 房 一 桂 组 合 方 式 示 意 上 冀 皇 享 蠡 充填 采 法矿映 组台形 式及 其稳 定性 模j 戗分 析陈 国辉 一9～ 维普资讯 2 数值模型 2 1 模 型的选择 本 文选取 三种 类型 的计算模 型 1段高5 0 m， 原 岩应 力为岩体 的 自 重 应力j 2段高 l O O m。原 岩应力 为岩 体 的 自重 应 力； 3 段高5 0 m，原 岩水平应 力 Px ．I o MP a ， 原岩垂 直 应 力P y 。 5 MP a 。 采用有 限元与无 界元耦台程序 “ ”对 上述三类模型在C HI P s ／ 3 8 8 机上分别进行丁 1 0 个算例，共1 9 0 多步开挖模拉计算。 2 2 模型 的网格 计算阿格只考虑回采一个中段，各模型 的结点 和单 元数 目及编 号顺 序 均 褶 回，矿 庸 ，矿柱 的开采 总长度 均 采 用 l O O m，段 高 为 1 0 0 m的模 型只改变其 节点 座标 尺 寸 。模 拟 一房一柱 、二房 一柱 、一房三柱 回采时， 矿房 ，矿柱 宽度 均采用 l O re， 矿房 、矿柱长 度 均为 9 0 m，矿房 、矿柱 的总个数 为 1 0 个 。 一 房多柱回采时，矿房、矿柱的长度和宽度 均采用 3 0 m的方块型， 其矿 房 、矿柱的 回 采 面积 与其 它三 种 回采方式相等 。网格所 涉及 的范 围 当段 高为5 0 m 时 为 4 0 0 m2 5 0 m} 当段高 为l O O m时为4 0 0 m3 0 0 m。离散 阿格 总的结点数为8 6 0 个，总的单元数为7 9 8 个。 2 3 模拟 的材 料 各模 拟均采用相 同的材料 ，顶底板及远 离开采区部分采用同一种岩性，开采区左铡 模拟充填俸，右侧模拟矿体，有关各参数假 设 岩石 弹性 模 量E1 ． 7 1 0 ‘ MP a j稿 桑 比 0 ． 3 ，密 度Y0 ． 0 3 2 MN／ m。 。 ’ 石 E1 ． 81 0 ‘ MP a } 0 ． 3 } ● ． 0 1 8 MN／ m。 。 充填体均按采后一次充填完 全 接 顶 考 成 。 2 4 模 拟 内容 邋下开采的矿床复 杂多变 ，采空 区围岩 的应力 、位移 分布 等规律变化 多端 。除 丁采 空 区的状 况对 其有影 响外，还与开采时 间的 长 短及开采顺序有很 大关系。用计算机欲准 确地对各种复杂的因素进行精确模拟是 比较 困难 的 。本 次模拟按照开 采顺序，开挖 和回 采步 骤一步 步进行， 以尽 可能地接近实 际情 况 。模 拟的内容有矿房和矿柱 的开挖过程模 拟 。 各模型的分步开挖模拟均通过程序由计 算 机 自动完成，并 将各 分步 的计 算结果存入 磁 盘保存 。 主要计算结果和稳定性评述 3 1 顶板 的稳定性 3 1 l 顶板的位移特 征 任何一种组合方式，在矿房事后充填， 矿柱采完后 ，整 个采 空区及充 填区域顶 板的 下 沉位移 变化 规 律 如 图 5、图 6、图 7肝 一 不 3 1 2 顶板 的应 力分布特征 采 区顶板的水平应 力在 顶板 隅角处 出斑 压应力升高区，中央部位出现应力降低 区， 有些单元甚 至出现拉应力，其应力集中系数 变化范 围见 表 1。 囊1 顶扳承平应力集 中系馥Rx 变‘ 匕 范嗣 原岩 应 力场 自重应力场 回来方南 段高 5 0 m 段 高 1 o 0 m 段 高5 o m 一 房一柱J o ． 2 ～2 ． 6 B 0 ． 5 3 ～3 ． 9 9 J l ， l 2 ～2 ， 3 5 房一柱I o ． 4 8 ～2 ． 5 7 0 ． 3 4 ～2 ． 9 6 ； 0 ． T 6 ～2 ． 2 I 一 房三柱l 0 ． B 8 ～2 ． 7 B o ． e 9 ～3 ． 8 8 0 ． 8 T ～1 ． 0 6 一 房多柱1 一o ． 3 3 ～o ． 5 4 --0 ． 0 7 ～o ． 9 3 I 1 ． 朝～2 ． B 3 注 袁中压应力为正 拉照力为负 下同 3 1 - 3 顶扳 的稳定性 在 自重应力场中回采时，一房一柱和一 房兰柱卞沉的位移较小，且在整个回采过程 中，顶板 自始 至终未 出现 拉应方， 故其稳 定 一 1 0 - - 有 ． 矿 山一 1 s 9 3． 2 维普资讯 0 圉5 段 离5 0 m时 ，采 区顼 扳下沉位移 f y分布 曲线 一一 房多柱位移曲线；2 一房一柱位移曲线；3 一一房三挂位移曲线；4 一一房一拄证移盐线 - 25 -20 圈 7 原 岩应 力甥Px。 1 O MPa 、Py 5 MPa 耐 的顶 板下浣 位移 曲线 3 4 与图 5 相同 ；上 述各 图取韭标 Uy 应为 ． 充填采矿怯矿辕蛆台形式及其稳定性 嵌拟分析陈国辉 妁 沿 维普资讯 性 相对较好 ；一房 多柱和二房 一柱 回 采时 ， 顶 板下 沉位移较大 ，且在顶 板中央部 位 出现 拉 应力，故其 稳定 性不 如一房 一柱 和一房三 柱 。当原 岩应力大 于垂 直应力时， 四种 回采 方式 的顶 板下沉位 移相差不 大，采空 医顶 板 中央均未 出现 拉应 力，但一房一柱 和房 一 拄 顶 板 的水平方 向应力集 中系数 变 化 范 围 大 ，而 一房 多柱 的变化范 围较小 ，且 几乎没 有水平应力降低区，对充分发挥顶板岩石 的 自承能 力较 有 利。 3． 2 矿 柱的 稳定 性 3 2 1 矿柱 中的应力分布特征 矿柱中的应力分布基 本上 表现为 垂直应 力增大，水平应力减小，矿柱中部靠空区的 单元水平应力接近于 0 ，少数单元出现较小 的 拉应 力。中问矿柱的竖 向应力集中 系数变 化 范 围见 表 2。 表 2 矿 柱中的垂直应 力集 中 系数 R， 变 化 范围 回采方 式 Px D 1 o MP a 最 高5 0 m 段高 1 0 。 n Py。 皇5 MPa 一 房 一柱 【3 【 ～ 【 ． 5 6 1 2 0 ～ 【4 2 【 0 2 ～ 【 ． 4 7 二 房一柱 【8 3 ～ 【9 4 【 ． 4 6 ～ 【 ， 6 6 【4 3 ～ 1 ． 3 一 房 三柱 【2 3 ～ 1 ． 4 9 【 【 9 ～ 1 ． 4 【 o ． 7 5 ～ 1 ， 3 0 一 声 多柱 【3 5 ～ 1 ． T B l ， 2 6 1 ， 5 3 O ． ； 5 ～ 1 ． 4 8 表 2可知 ，在 自重应 力场 中回采时 ，矿 柱 中的竖向应力集 中系数 以二房 一 柱 为 最 大 ，一房多柱次之 ，一房一 柱 和一房三 柱较 小；而 当水平应 力大于垂 直应 力时，四种方 式 回采的矿柱集 中系数均有所 降低，特别是 一 房多柱 回采时，矿柱 中的应力 集中系 数大 部 分在 1 左右波动，应力集中不明显。 3 2 2 矿柱的 稳定 性评 价 由于矿柱 的稳定性除受矿柱 内应力大小 的影响外 ，还 与其 矿柱本身 的强度 有较大关 系，在其 它条件相 同的情 况下 ，矿柱强度 与 矿柱 的几 何尺寸有如 下关 系 “ QⅡ0 ． 7 5 Qc B ／ L 。 。 B 0 ． 3 t i 1 Q u1 ． 4 5 Q e B 。 。 ／ H。 BL2 0 MP a 就可 保 证其矿柱不破 坏，可见 ，一房 多 柱 回 采 时，矿柱的稳定性较好}而二房 一 柱 回 采 时 ， 昕需 的矿石临界单 轴抗压 强度最 高，矿 一 1 2 一 有 色矿 山一 1 9 9 3 ． 2 力 应 岩M 爵 式 方 采 回 ； ∞． ∞哪 维普资讯 柱最易破坏，一房一柱和一房三柱次之 。 3 2 3 顶 板与矿柱 隅角处 的稳定性 顶板与矿柱隅角处的最大直力集中系数 、 、 及 最大剪应 力见 表 4。 表4 隅 处最大应力集中系数 Rx ⋯、Ry 及最大剪 应力 跟岩应 力 中段 高 l Z 度 Rx m。 Ry m‘ x 7Ⅲ‘ l 耳栗 方 式 M Pa m fM Pa 自重电力场 5 0 3 ． 4 7 1 ． 5 6 2 ． 7 9 9 一 房一柱 1 0 0 4． 1 S l‘ 2 4． I 2 5 RP 0一 l 0 Py o 5 5 0 3 ． O 6 1． 4 7 7． 9 0 2 自 重应力场 5 0 3 ． e 3 2 ． 1 3 3 ． 0 5 4 府一枉 l 0 o 4 ． 9 l 1 7 日 3 5 6 8 Px 0 1 0 Pyoj 5 5 0 2． 9 9 1． 7 6 T． 4 2 2 自重应力场 3 ． 2 5 1 ． B 2 3 3 L T 一 彦三枉 4 I T 1 5 8 4． 0 4 1 Px 0 l O Py0异 5 1 O 6 1 ￡ 5 8． 0 9 0 自重 应力 场 5 0 3 ． 5 6 2 l e 3 ． 2 9 5 一 房多柱 l 0 0 4 ． 7 5 1 ． 7 6 5 ． 7 0 4 Px D 1 O Py 互 5 5 0 4 3 0 2 33 1 L ． 93 3 由表 4可见 ， 自重应 力场 中回采时 ，中 段高度越 大，顶板 隅角处 的水平方 向撮 太应 力集 中系数相应越 高，而垂 直方 向最 大应力 集中系数有所下降，且中段高度越大，最大 剪应力也随之加大，此应力状态对隅角处的 稳定性不利，一房多柱和二房一柱回采时， 顶板与矿柱 隅角处的应力集 中程度 相对一房 一 柱和一房三柱回采时要高一些，破坏有可 能首先发生在 这些部位 。 综上所述，无论从顶板，矿柱还是顶板 隅角处的稳定性来看，二房一柱回采其稳定 性均较 差，一般应尽可 能少采用 。一 房多柱 回采时，矿柱的稳定性比其它三 种 情 况 都 好 ，但 顶板 隅角处 的应力集中程度相 对较 高 一 些，使用此方式回采时，应首先校核该处 的稳定性 。当水 乎应 力大于垂 直应 力时，一 房多柱 的顶 板应 力变化 比较 均匀，各单元应 力集中系数相差不 大，其 稳定 性较 自重应力 场中回采时好 。当中段高度增 大对，其 空 区 顶 板水平拉应 力随之减小 ，甚 至消失，对空 区顶板的受力 条件 有所敬善 ，但 随着中段高 度 的加大，顶 板与矿柱 隅角处的应 力集中程 度也有所升高 ，须考虑 蒲角处的稳定性。 4结 论 本 文通过 几种模型的 开挖 模拟计算和分 析认为 1 当在 自重应力场中进行回采时， 空 区顶板 的应 力、位移分布 情况 以一房一柱 和一房三柱为好 ， 隅角处 的应 力集中程度也 较低，一般应采用这两种方式回采，当矿石 稳周性较好时，尤其 直优先采用第 一种 J矿 柱 的稳定性 以一房多柱 回采 时最 优，当矿体 特 别厚大时， 可优先 采用一 房多柱 回采 。二 房一柱回采时，矿柱和围岩 稳定性最差， 一 般应 避免使用 。 2当原岩水平应 力太子 垂 直 应 力 时，无论采用哪种方式回采，其矿柱稳定性 均有所提高。用一房多柱 回果时，矿柱的稳 定性 最好，且空 区顶板也不 出现拉应力 区， 顶板水 平应力分布 比较均 匀，应力变化 幅度 较小，各单元应力集中系数比较接近，对稳 定性有利，但用该方式 回采时，仍应校验质 板 隅角处 的稳定性 。 3中段高度增 大，对 空区顼 板中央 的受力情况厦稳定性有所改善，但其顶板和 矿柱 隅角处的应力集中系数增大，故在选择 中段高度时应综合考虑其影响。 4 本文利用二维有限元与无界元耦 合程序对此进行的开挖模拟计算，揭示的各 种组合方式 回采的应力 和位移变 化规 律，笔 者认 为是 可取 的。 参 考文 献 略 责任编辑解忠 充填采矿法矿块组台形式及其稳定性模拟分析 陈国辉 一 l 3 ～ 维普资讯