金川贫矿区自然崩落法采场底部结构的稳定性.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e l l “ O I ／8M e t a l a V 0 1 ．5 6 ，N o ．3 A u g u a t 2 0 04 金川贫矿区自然崩落法采场底部结构的稳定性 王 宁，韩志型 西南科技大学，四川绵阳6 9 1 0 0 2 摘要采用三维有限元弹塑性数值模拟方法。分析金川贫矿区高应力破碎岩体自然崩落法开采过程中底部结构的稳定性。 结果表明，随矿岩崩落开采，崩落区下方岩层出现较大范围的塑性破坏区和拉破坏区。巷道采取多次让压支护措施，能确保底部 结构的稳定。 关键词采矿工程；稳定性；数值模拟；底部结构；自然崩落法 中图分类号T D 8 5 3 ．3 6 4 ；T D 8 6 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 7 9 0 4 金川矿区是我国重要的镍钴生产基地，其资源 的开发利用在我国国民经济中占有重要地位。国家 为了充分开发和利用金川矿区的后续资源，把“金川 贫矿开采技术及工艺研究”列为国家“九五”重点科 技攻关项目。针对金川贫矿区地质特征及矿岩力学 特性，进行了现场调研，岩体质量评价，可崩性分析 和放矿模拟试验等研究，按照既满足试验要求，又不 影响矿山生产并尽量减少投资的原则，决定在贫矿 区采用自然崩落法开采，并确定了试验采场。采场 底部结构的稳定性是自然崩落法开采能否成功的关 键因素之一，为此进行了金川贫矿区自然崩落法采 场底部结构稳定性研究。 1地质概况 金川矿区岩层经历了自吕梁运动以来的各次地 质构造运动的作用、变质作用和多期岩浆的侵入作 用，形成矿区的复杂岩石组合，造成矿区断裂、节理 纵横交错，其中北西、北东东断裂都不同程度地受过 挤压，破碎带一般较宽，破碎的岩石未胶结。矿区工 程地质条件极为复杂，主要表现在3 个方面。 1 岩 石组合复杂，软弱结构面频繁切割，多形成破裂．软 弱岩体，岩体强度低，具有显著的流变特性。 2 构 造残余应力较高，以水平应力大于垂直应力为显著 特征。 3 由于开采范围不断扩大，工程规模大，导 致工程岩体易失稳。 自然崩落法试验采场含矿超基性岩以菱块状镶 收稿日期2 0 0 3 0 3 一1 8 基金项目国家“九五”科技攻关项目 9 6 1 1 7 0 1 0 1 作者简介王宁 1 9 6 2 一 ，男，四川中江县人，教授，主要从事岩 土工程技术的研究与教学工作。 嵌结构为主，块状结构、碎裂结构局部可见。矿体上 盘为均质条带状混合岩，与超基性岩接触带上节理裂 隙发育，工程地质条件较差。矿体下盘多为各种岩浆 岩频繁穿插的中薄层大理岩组，节理发育，岩体破碎， 工程地质条件较差。试验采场主要发育有4 组优势 节理。岩体基本处于干燥环境，局部地段潮湿。 2采矿方法 自然崩落法试验采场选在金川二矿F 1 7 断层 以东2 矿体，出矿水平布置在1 1 5 0 m 水平，距地表 深约6 0 0 m ，采用铲运机出矿。出矿巷道垂直矿体走 向布置，间距3 0 m ，出矿横巷间距1 5 m ，巷道净宽 3 ．8 m ，高3 ．9 m 。出矿点网度为1 5 m 1 5 m 。底部结 构采用堑沟受矿，堑沟长1 5 m ，下宽3 ．8 m ，上宽 1 3 ．4 2 m ，高1 4 ．1 m 。拉底层高度2 ．5 m ，初始崩落面 积2 4 0 0 m 2 ，考虑原岩应力场对矿岩崩落的影响，拉 底工程的长轴方向平行于最大主应力方向，即N 1 5 。 E 。拉底由东 F 1 7 断层附近 向西推进。 3 稳定性研究 采用三维弹塑性有限元数值模拟分析方法，对 金川贫矿区自然崩落法采场底部结构在矿岩崩落过 程中的稳定性进行模拟研究。随着计算机技术的飞 速发展，数值模拟分析方法已被广泛地应用于岩土 工程问题的研究，成为岩土力学非常经济有效且常 用的分析工具。尤其是有限元数值模拟技术在理论 上较为完善，能较好地模拟采矿中的回采工艺过程， 方便地考虑多种力学介质。 3 ．1 几何模型 根据地质条件，F 1 7 断层对采场矿岩的崩落及 其底部结构的稳定性影响较大，该断层与采场西侧 万方数据 有色金属第5 6 卷 邻接，在建模时考虑了该断层的存在。模拟采场长 3 0 7 m ，宽1 3 8 m ，崩落矿石高度约1 0 0 m 。为了减少 边男巍应散影煦、计算范围取值较大，模型的长、宽、 高分别为1 5 2 0 ，7 3 0 和9 0 0 m ，几何模型如图1 所示。 模拟过程中，分8 个步骤考虑矿体的崩落过程，具体 情况见表1 。由于崩落矿岩为散体介质，一般情况 下，崩落体不会与待崩矿岩接触，在模拟过程中，将 崩落体的自重力直接作用在采场底部结构上。 为了分析比较出矿巷道在一次支护和二次支护 下的受力状况，以该模型为基础，模拟了出矿巷道首 先进行喷射混凝土一次支护，喷层厚度为0 ．1 5 m ，然 后在开挖应力分别释放了2 0 ％，5 0 ％或8 0 ％时再进 行二次喷射混凝土支护，喷层厚度也为0 ．1 5 m 。 a 一第一模拟步骤； b 一第五模拟步骤 图1 底部结构稳定性分析模型示意 F i g ．1 S c h e m eo fs t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e lf o rb a s es t r u c t u r e 表1 计算模型模拟步骤说明 T a b l e1 E x p l a i no fs i m u l a t i o ns t e p sa b o u tc a l c u l a t em o d e l s 说明 计算原岩皮力场。 开挖出矿巷道，喷射混凝土支护 喷层厚度0 ．1 5 m 。 初始崩落面积2 6 1 0 m 2 ，最大崩落高度3 0 m ，超前拉底推进线形成两排堑沟。 崩落面积1 1 3 5 8 m 2 ，最大崩落高度8 0 m ，超前拉底推进线形成两排堑沟。 崩落面积2 5 6 3 3 m 2 ，最大崩落高度2 0 0 m ，超前拉底推进线形成两排堑沟。 崩落面积3 9 9 0 8 m 2 ，最大崩落高度4 0 0 m ，超前拉底推进线形成两排堑沟。 崩落面积4 6 6 5 8 m 2 。最大崩落高度5 8 0 m 至地表 ，超前拉底推进线形成两排堑沟。 崩落剩余矿体，最大崩落高度5 8 0 m 。 3 ．2 原岩应力场 金川原岩应力测试成果表明，金川矿区地应力 以水平构造应力为主，地表地应力较小，最大水平应 力约为3 M P a ，但应力值随深度增加而增大，在2 0 0 5 0 0 m 深度最大主应力值一般为2 0 ～3 0 M P a ，最 高达5 0 M P a 。平均水平应力与垂直应力的计算公 式为口。 y h 和％ 3 0 ．0 4 2 5 h ，式中口。一垂 直应力，M P a ；吼一平均水平应力，M P a ；7 一容重， t ／m 3 ；h 一深度，m 。 随深度增加，矿区平均水平主应力增大，且水平 最大主应力与最小主应力的差值增大，这对底部结 构的稳定性将产生不利影响。 3 ．3 强度准则 弹塑性模拟分析中采用岩土工程界普遍采用的 德鲁克一普拉格强度准则F 脚1 J 2 ∽一K ≥0 以及拉破坏强度准则F 盯一R 。≥0 ，式中卢 s i n 声／ 9 3 s i n 2 声 1 ／2 ；K 3 C c o s 声／ 9 s i n 2 声 1 ／2 ；C 一粘结力；≠一摩擦角；R 。一岩体抗拉强度；J 1 一应 力第一不变量；J 2 一应力第二不变量。 4 计算结果及分析 各种模拟情况的计算结果表明，矿岩应力的大 小及其变化规律基本一致，但随着二次支护时间的 不同，支护结构的应力变化较大。各计算步骤出矿 水平和底部结构上部岩体的应力特征值见表2 。 矿体拉底崩落后，岩体应力向崩落区围岩转移， 其中应力集中部位主要出现在矿体的上下盘围岩和 拉底推进线附近矿岩中。在底部结构中，崩落区与 上下盘围岩交界处及拉底推进线下方岩体，应力集 中最为显著，而崩落区西部围岩，受F 1 7 断层的影 响，应力变化不大。底部结构受矿岩崩落影响，出现 较大范围的拉应力区，在崩落区上方的待崩矿岩也 鉴。。。，。，。 万方数据 第3 期 王 宁等金川贫矿区自然崩落法采场的底部结构稳定性8 1 出现较大的拉应力区域。随矿岩崩落范围加大，底 部结构及采场围岩应力逐渐增大，底部结构中拉应 力范围明显增加。 表2出矿水平和底部结构上部岩体应力特征值 T a b l e2F e a t u r ev a l u e si nr o c km a s so fd r a w l e v e la n db a s es t r u c t u r e 4 ．1 出矿水平 出矿水平中，崩落矿体边界和拉底推进线下方 围岩承受的应力值较大。矿岩崩落初期，采场边界 及拉底推进线下方围岩承受的应力急剧增加，崩落 面积达2 5 6 0 0 m 2 时，最大压应力从3 0 M P a 增加至 5 4 M P a ，应力集中系数增大至2 ．2 ，崩落区下部出矿 口岩体中局部拉应力达5 M P a 。当崩落面积超过 2 5 6 0 0 m 2 后，最大压应力值、最大拉应力值变化不 大，分别维持在5 5 M P a 和5 M P a 左右。可以认为， 崩落面积达到一定范围后，出矿水平矿岩的应力集 中程度不再增加，而保持在一定水平。堑沟形成后， 出矿巷道围岩的稳定性有所下降，在F 1 7 断层一 带，局部出现塑性破坏。随崩落面积增大，位于崩落 矿石和堑沟下方岩体的稳定性急剧下降，大范围出 现塑性破坏，崩落边界和拉底推进线下方巷道围岩 出现局部拉破坏。无论是形成堑沟，还是崩落矿石， 均对出矿巷道的稳定性有较大的影响。因此，必须 对出矿巷道采取强有力的支护措施。 4 ．2 底部结构上部岩体 在出矿水平与拉底水平之间的岩体中，矿岩崩 落初期，拉底推进线附近的矿岩及采场上下盘矿岩 承受的压应力快速增大，但随着崩落范围增大，应力 增量亦随之趋缓，当崩落面积达3 9 9 0 8 m 2 时，矿岩 中承受的最大压应力已趋于平缓，在整个采场矿石 全部崩落后，最大主应力极值从2 8 M P a 增大至 1 0 9 M P a ，应力集中系数最大达4 ．8 。崩落矿石下方 岩体大范围出现拉应力，拉应力一般不超过4 M P a ， 但局部达1 0 M P a 左右。 在崩落矿石下方，岩体稳定性下降，堑沟周围岩 体均出现塑性破坏，局部出现拉破坏，在崩落区外～ 定范围岩体的稳定程度亦有不同程度的下降。 4 ．3 出矿巷道支护结构 图2 和图3 给出了在开挖应力释放0 ％ 即一 次支护 和释放2 0 ％，5 0 ％和8 0 ％时巷道进行二次 支护，其支护结构的最大压应力值和最大拉应力值。 图2 支护结构最大压应力示意 F i g ．2S c h e m eo fm a x i m u ms t r e s si ns u p p o r ts t r u c t u r e 图3 支护结构最大拉应力示意 F i g ．3 S c h e m eo fm i n i m u ms t r e s si ns u p p o r ts t r u c t u r e 从图可见，如果对巷道的支护工作一次完成，支 护结构承受的压应力和拉应力都很大，在采场拉底 之前，支护结构中最大压应力值达6 1 M P a ，最大拉 应力达2 0 M P a 。而随采场拉底和崩矿工程的进行， 计算出结构中最大压应力和最大拉应力分别达 1 9 5 M P a 和8 5 M P a ，远远高于喷混凝土的强度，支护 结构严重失稳，且破坏范围较大。 当巷道开挖应力释放到一定程度后，进行二次 支护，应力释放程度不同，获得的支护效果也不一 样。二次支护喷层中的应力较一次支护均不同程度 降低，特别是在应力释放8 0 ％时进行二次支护，喷 层应力明显减小，在采场拉底崩落工程开始之前，最 大压应力值1 4 ．5 M P a ，最大拉应力值2 ．5 M P a 。如 巷道采用喷锚网联合支护，在采场拉底崩落前，基本 上能够维护巷道的稳定。这是由于围岩应力释放充 分，施加在支护结构上的力较小，同时亦能保证围岩 具有一定的强度。随着采场拉底崩落的进行，支护 爰q苣R翅．群长蟮 万方数据 有色金属第5 6 卷 结构应力增加，在矿岩崩落过程中，支护结构最大压 应力值2 1 - - 3 5 M P a ，最大拉应力值9 ．8 ～1 6 ．5 M P a 。 在崩落区下方，尤其是靠近崩落边界的巷道支护结 构出现一定范围的破坏区，其破坏形式主要是拉破 坏和剪切破坏。因此，为了维护底部结构的稳定，有 必要在拉底之前，对底部结构再次进行维护，以保证 出矿的顺利进行。计算结果表明了多次支护的必要 ，性。由于金川矿区岩体节理裂隙发育，地应力大，岩 体变形持续时间较长，巷道支护工作也要与之相适 应，企图一次完成巷道支护，不考虑支护结构对围岩 变形的适应状况，支护结构必然因应力过大而失稳。 支护分次施工，既可以延迟施工时间，以允许围 岩有一定的变形和能量释放的机会，又可以把较厚 的喷层分成多个薄层结构，达到减小其弯矩和内应 力之目的。 5结论与建议 1 在拉底之前，出矿巷道采取二次支护后，底 参考文献 部结构基本处于稳定状态。 2 随崩落面积增大，拉底推进线附近及崩落边 界附近的矿岩承受的应力较大。崩落区下方岩层出 现塑性破坏，在底部结构上部出现较大范围的拉破 坏区。 3 当崩落面积达到一定范围后，底部结构出矿 水平矿岩的最大压应力和最大拉应力基本保持在一 定的水平，而底部结构上部矿岩的应力值仍有一定 幅度的增长。 4 随拉底面积增大，底部结构矿岩产生较大的 拉应力，底部结构的稳定性进一步降低。 5 多次支护可显著地改善支护结构的受力状 况，明显降低最大压应力和最大拉应力。 6 建议对出矿巷道采取二次喷锚网联合支护， 以确保底部结构的稳定和安全，在拉底之前，还应对 底部结构中的巷道工程再次进行维护。 [ 1 ] 吴德伦，黄质宏，赵明阶．岩石力学[ M ] ．重庆重庆大学出版社，2 0 0 2 2 9 5 2 ． [ 2 】刘红元，刘建新，唐春安．采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟[ J 】．岩土工程学报，2 0 0 1 ，2 3 2 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da r e ae x t e n d s ．T h es t a b i l i t yo ft h eb a s es t r u c t u r ef o rn a t u r ec a v e dm i n i n gc a nb ea s s u r e db yU s eo ft h e g r a d u a ls u p p o r t so fd r a wd r i f t s ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；s t a b i l i t y ；n u m e r i c a la n a l o g y ；b a s es t r u c t u r e ；n a t u r a lc a v i n gm e t h o d 万方数据