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崇礼紫金矿业矿柱开采的稳定性分析 李 强 1, 2 ,刘文胜 3 ,李向东 1, 2 1. 长沙矿山研究院, 湖南 长沙 410012; 2.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南 长沙 410012; 3.广东省阳山县安监局, 广东 阳山县 513125 摘 要以河北崇礼紫金矿业公司的试验采场为研究对象,在归纳、 分析以往资料的基础 上,通过现场监测、 数值模拟等方法对采场在回采过程中的稳定性进行了分析。对回采过 程中试验采场的应力发展规律及采场稳定性进行了研究。重点探讨了回采顺序对试验采 场矿柱的稳定性的影响。数值模拟结果表明,用“ 隔一采一 ” 的方法进行回采,所留的20 m矿柱在目前情况下是比较安全的,随着开采深度的增加,采场顶底板的应力增大,局部 出现破坏,因此需要对顶底板进行相应的处理或者增加顶底板的厚度。 关键词地下开采;矿柱稳定性;三维有限元;数值模拟 1 概 况 崇礼紫金矿业有限责任公司地处河北省崇礼县 境内,年处理矿石26. 4万t,是河北省重点黄金矿山 之一。主要矿脉有1, 2, 22, 27, 70号矿脉。现主要 开采70号厚大矿脉,矿体倾角20 ～42,矿体平均 厚34. 6 m。顶底板为碱性长石正长岩、 石英碱性长 石正长岩等,矿体与围岩岩性相似,结构致密,孔隙 度小,稳定性较好,矿体与围岩界限不甚清楚。成矿 后构造对矿体无明显破坏作用。针对这一厚大矿 脉,采用了窄分条两步骤空场回采嗣后充填采矿法, 将矿体沿走向划分为10 m宽的一步骤采场和20 m 宽的二步骤采场。经多年生产,现一步骤采场基本 回采完毕,但由于多方面原因,一步骤采场并未进行 有效充填,留有10 m宽的空区,直接影响了二步骤 采场的安全开采。 目前,公司和长沙矿山研究院合作,针对二步骤 采场设计了侧向崩矿嗣后放顶的采矿法见图 1 。 图1 扇形中深孔侧向崩矿嗣后放顶采矿法 ISSN 1671 - 2900 CN 43 - 1347/TD 采矿技术 第9卷 第2期 Mining Technology, Vol . 9,No. 2 2009年3月 Mar . 2009 为分析该方法在回采出矿过程中二步骤采场、 顶底柱及上盘围岩的稳定性,采用三维有限元方法 对开采过程进行了数值模拟分析。 2 三维有限元数值模拟 2. 1 岩体介质和回采工艺简化 根据上述二步骤采场的开采方法,结合矿山开 采的实际情况,将模型介质简化为由上盘围岩、 矿 体、 下盘围岩3部分组成,其中矿体倾角为25,厚 度35 m,中段高度40 m。采场划分为10 m和20 m 两类。 。虽然开挖步骤的多少影响到围岩的应力加载 及卸载途径,从而直接影响数值模拟的结果,但是过 多的开挖步骤将大大增加实际计算的难度和时间。 因此,在计算结果满足分析要求的前提下,对计算步 骤进行了简化。模拟计算步骤如下 步骤1 原岩应力的计算; 步骤2 回采全部10 m采场; 步骤3 隔一采一回采1304中段20 m采场; 步骤4 1304中段20 m采场放顶15 m; 步骤5 1304中段20 m采场再放顶15 m; 步骤6 隔一采一回采1264中段20 m采场; 步骤7 1264中段20 m采场放顶15 m; 步骤8 1264中段20 m采场再放顶15 m; 步骤9 隔一采一回采1224中段20 m采场; 步骤10 1224中段20 m采场放顶15 m; 步骤11 1224中段20 m采场再放顶15 m。 2. 2 计算域的选取及计算模型的离散化 模型长 宽 高为1938 m1120 m572 m, 即沿倾向长度取1938 m X方向 , 沿矿体走向取 1120 m Z方向 , 沿铅直方向取572 m Y方向。 其中矿体厚度35 m,划分为两个中段。模型划分单 元12552个,节点54119个。 2. 3 约束与边界条件 计算原岩应力时边界采取位移约束在yoz的 两个侧面上节点在x方向约束,即滑动铰支座; xoy 的两个侧面上节点在z方向约束,即滑动铰支座; y 998平面上,所有节点在x、y、z方向上约束,即固 定铰支座; y 1570平面为自由面。在原岩应力计 算后的各个步骤的计算中边界全固定。 2. 4 岩体力学参数及破坏准则的选取 参考 岩石力学参数手册 相似地质条件的数 据,并考虑到矿区断层和节理、 裂隙等不连续面的影 响,对河北崇礼紫金提供的岩石力学参数做了适当 的调整,见表1。本次分析采用德鲁克-普拉格屈 服准则Drucker - Prager。 表1 计算材料力学参数 名称弹性模量MPa泊松比容重MN /m3残留剪切强度MPa内摩擦角抗拉强度MPa 上盘围岩106000. 260. 02625. 0332. 0 矿体106000. 360. 02625. 0222. 0 下盘围岩106000. 260. 02625. 0332. 1 3 计算结果分析 按自重应力场计算,收敛系数设定为3～ 4 ,用PCCG法Pre - Conditioned Conjugate Gradi2 ent求解,最大重复次数为30次。 3. 1 应力分布 第2步骤采全部10 m采场,留20 m采场。在 10 m采场顶板处有一些细微的Y位移变化,没有出 现拉应力和破环域。应力集中出现在整个采场顶板 的两侧,最大主应力值为- 6. 723～- 10. 102 MPa, 宽度约为20 m。 第3步骤隔一采一回采1304中段20 m采场, 回采以后在留下的20 m的矿柱上出现应力集中,矿 柱上的最大主应力和最小主应力都加大。在矿柱的 中部出现应力集中,最小主应力的值为- 1. 432～ 1. 908 MPa。在矿柱与顶板的夹角部位出现压应力 集中,最大主应力值为- 7. 118～- 10. 660 MPa。在 两个应力集中区域都没有破坏域,说明所留的20 m 矿柱是基本安全的。在回采的20 m矿房的顶板出 现拉应力,顶板出现Y向位移,位移量比较小,没有 出现破坏域。 第4步骤1304中段20 m采场放顶15 m,放顶 后在1304中段与1264中段的顶底板上的应力集中 有所下降, 20 m矿柱的最小主应力值为- 1. 432～ 1. 239 MPa,拉应力有所下降,应力集中范围有所增 大,没有出现破坏域。 第5步骤1304中段20 m采场再放顶15 m,放 顶后在1304中段与1264中段的顶底板上的拉应力 进一步下降, 20 m矿柱的最小主应力值为- 0. 766 ～1. 238 MPa,拉应力继续下降,应力集中范围也继 82 采矿技术 2009, 92 续增加,也没有出现破坏域。 第6～8步骤与第9～11步骤的应力变化规律 与以上规律类似。开采过程中,矿柱上的应力变化 见图2。 图2 1304中段矿柱最大主应力σ1变化曲线 由图2可见,在第2步骤隔一采一采完20 m采 场后,所留的20 m矿柱上的最大主应力值升高很 快,第3步骤15 m放顶以后应力值会下降,第4步 骤15 m放顶后应力值继续下降, 3个矿柱的应力变 化趋势相同。与1步骤的3个矿柱之间的最大主应 力大小关系为第3个矿柱第2个矿柱第1个 矿柱。矿柱上的最小主应力基本没有变化。 在同一步骤的不同中段之间的应力变化见图3 所示。可见,在同一步骤,随着开采深度的增加,矿 柱的最大主应力也随之增加;在同一中段和同一步 骤,各个矿柱的最大主应力大小关系为第3个矿柱 第2个矿柱第1个矿柱。矿柱上的最小主应力 基本没有变化。计算模型的最大主应力方向以竖直 的Y方向应力为主。 3. 2 破坏域 在第9步隔一采一回采1224中段20 m采场 后,在1264中段与1224中段的顶底板出现拉破坏 域;在第10步放顶15 m后拉应力有所下降,破坏域 也有所减少;在第11步再放顶15 m后拉应力进一 步下降,破坏域也减小。可见放顶工程对降低顶底 板的拉应力,减小拉破坏有明显的效果,破坏域示意 见图4。 图3 第9～11阶段20 m采场最大主应力σ1变化曲线 图4 第9～11步骤破坏域 4 结 论 1对采10 m采场回采后留下的20 m采场用 “ 隔一采一 ” 的方法进行回采,所留的20 m矿柱在 目前情况下是比较安全的。 2空区放顶可明显降低矿柱和顶底板的拉应 力水平和范围,减少其破坏范围,对保持采场稳定具 有一定的效果。 3模拟分析表明,在开采过程中,在1264中 段与1224中段间的顶底板出现了部分破坏,其他部 位在整个回采过程中相对比较稳定,在实际开采中 下转第32页 92 李 强,等 崇礼紫金矿业矿柱开采的稳定性分析 cm下降为7. 521 cm;当顶板厚度继续增大到7 m 时,较大位移量值的影响范围进一步缩小,沉降量也 降至6. 167 cm,但降幅趋缓。 图3是数值模拟与结构力学解析法所得结果的 对比,在相同厚度顶板下两种方法求得的最大沉降 量值有较大差异,且最大沉降量产生的位置也有所 不同。这主要是由于数值模拟方法还考虑了侧向应 力的影响,以及顶板与围岩的相互作用。 图3 顶板厚度与位移量的关系 4. 4 顶板最小安全厚度的确定 顶板厚度直接影响开采成本和生产安全,其重 要性不言而喻,此外,在设计过程中还必须考虑构筑 工艺和施工条件。通过对顶板不同厚度的数值模 拟,确定顶板厚度达到5 m后即可满足安全生产要 求;同时考虑到该软破矿体的特点及其施工工艺 3 m /分层 , 再结合矿山当地的材料和施工成本,表2 给出了不同顶板厚度构筑成本。综合考虑,取顶板 的最小安全厚度为6 m。 表2 不同厚度顶板的构成成本 顶板厚度m构筑成本万元施工层数层安全等级 2401极不安全 3701不安全 41102较安全 51402较安全 61702安全 72203安全 82503安全 5 结论与建议 1通过对不同厚度顶板的数值模拟,分别从 沉降量,应力状态和塑性区范围进行研究比较,同时 兼顾施工工艺、 构筑成本和稳定性要求,得出顶板最 小安全厚度宜取6 m这一结论。 2数值模拟结果显示,在顶板与条柱的交界 处出现应力集中,且顶板以拉-剪应力破坏为主,因 此,应考虑在关键部位加密布筋。 3数值模拟与结构力学解析法结果的差异说 明,水平应力对顶板的稳定性有重要影响,这也表明 上下分层进路斜交构筑方案的必要性,同时也应在 交界面加锚杆或锚索,以增大抗剪力。 参考文献 [1 ]古德生,李夕兵,等.现代金属矿床开采科学技术[M ].北京 冶金工业出版社, 2006. 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