采场底部结构斜面角优化研究.pdf

第3 2 卷第1 期 加1 i 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N i l M E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №1 F e b r u a r y2 0 1 2 采场底部结构斜面角优化研究① 朱粟宝1 ，罗周全1 ，罗贞焱2 ，黄准生3 ，刘晓明1 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；3 ．华南理工大学土木与交通 学院，广东广州5 1 0 6 4 0 摘要阐述了地下采场底部结构的研究现状及存在的问题，全面分析了设计底部结构斜面角时需考虑的矿石粘性、自然安息角、 拉底空间及底部结构大小、底部斜面冲击损伤等因素。构建了底部结构在受矿石频繁撞击时的理论模型。基于冲量损伤的原理， 以某矿山地下采场为实例，采用F L A C ”力学模拟软件模拟r 其底部结构在取不同斜面角时受爆落矿岩频繁冲击造成的损伤情况， 结果表明斜面角越大，底部结构塑性破坏区体积越小。根据模拟结果，结合底部结构斜面设计的影响因素，得出了该矿山底部结 构最优斜面角。底部结构斜面角的优化研究对于地下矿山安全、高效、经济开采具有重要的现实意义。 关键词地下采场；底部结构；最优斜面角；冲击损伤；数值模拟 中图分类号T D 8 5 3文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 O l 一0 0 1 7 0 5 S t u d yo nO p t i m i z a t i o no fS l o p eA n g l eo fS t o p eB o t t o m Z H UL i b a 0 1 ，L U OZ h o u ．q u a i l l ，L U OZ h e n y a n 2 ，H U A N GZ h u n ．s h e n 9 3 ，L I UX i a o ．m i n 9 1 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS 口f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 10 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．C h i n a N o n f e r r o u sM e t a l sI n d u s t r yC h a n g s h aI n v e s t i g a t i o na n dD e s i g nR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC i v i l E n g i n e e r i n ga n dT r a n s p o r t a t i o n ，S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u5 1 0 6 4 0 ， G u a n g d o n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ec u r r e n tr e s e a r c h e so fs t o p eb o t t o ms t r u c t u r ea n de x i s t e dp r o b l e m sa l ee l a b o r a t e d ，a n dt h ef a c t o r st h a t s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n td u r i n gd e s i g n i n gs l o p ea n g l eo fs t o p eb o t t o m ，i n c l u d i n gv i s c o s i t yo fo r e s ，n a t u r a la n g l eo f r e p o s e ，u n d e r c u ts p a c e ，t h es i z eo fb o t t o ms t r u c t u r e ，t h ei m p a c td a m a g eo ft h es l o p ea tb o t t o m ，剐℃c o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d ．At h e o r e t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h eb o t t o ms t r u c t u r ea f t e rb e i n gh i tf r e q u e n t l y ．T a k i n gt h eu n d e r g r o u n d s t o p ei nam i n ea 8 a ne x a m p l e ，m e c h a n i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eF L A C 如i sa d o p t e d ，b a s e do nt h ei m p u l s ed a m a g e ，t o s i m u l a t et h ed a m a g es i t u a t i o no fb o t t o ms t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n ts l o p ea n g l e sb e i n gr e p e a t e d l yi m p a c t e db ye x p l o d e do r e s ． R e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e rt h es l o p ea n g l ei s ，t h es m a l l e rd a m a g e dp l a s t i cz o n et h e r ei sa tt h eb o t t o ms t r u c t u r e ．T h e o p t i m a la n g l eo ft h es t o p eb o t t o ms t r u c t u r ei nt h em i n eh a sb e e no b t a i n e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，c o n s i d e r i n g f a c t o r si n f l u e n c i n gt h es l o p ed e s i g no fb o t t o ms t r u c t u r e ．T h es t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no fs l o p ea n g l eo fb o t t o ms t r u c t u r e i so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h es a f e ，e f f i c i e n ta n de c o n o m i c a le x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n ds t o p e ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n ds t o p e ；b o t t o ms t r u c t u r e ；o p t i m a ls l o p ea n g l e ；i m p a c td a m a g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 地下采场底部结构是地下矿山采场开采设计的重 要部分，其设计的优劣直接影响到采场爆破的矿岩回 收的安全、经济和效率。对底部结构的设计需考虑的 因素包括矿床的工程技术条件、矿体产状、矿岩稳固 性、资源储量和品位、采矿方法、铲装运输设备、开拓系 统等，其目的是与采矿方法匹配，确保安全生产，提高 生产效率，降低贫化损失和节约生产成本。 目前，针对如何选用合适的底部结构以及对底部 结构参数的研究众多。5J 。但是，国内外对于如何优 化底部结构的斜面角，使得斜面受爆落矿岩冲击损伤 较小和提高出矿效率方面的研究较少。本文针对上述 问题进行了探索性研究。 本文分析了当前地下采场底部结构存在的问题及 底部结构斜面角取值影响因素，采用F L A C 3 D 对不同斜 面角底部结构进行了模拟分析，模拟爆落矿岩对底部 结构斜面的冲击损伤情况，结合斜面角取值的各种因 ①收稿日期2 0 1 1 - 0 9 1 7 基金项目“十一五”国家科技支撑计划专题 2 0 0 7 B A K 2 2 8 0 4 1 2 ；2 0 0 6 B A B 0 2 8 0 4 1 3 一1 作者简介朱栗宝 1 9 8 6 一 ，男，湖南株洲人，硕士研究生，主要从事岩石力学及数字化矿山理论与技术方面的研究。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 素，优化选取底部结构斜面角。 1 存在的问题及斜面角取值影响因素 1 ．1 存在的问题 当前地下矿山采场采用的底部结构在实际生产中 存在如下问题 1 底部结构斜面角设计不合理，导致矿岩不易滑 落，残留大量矿石，残留的矿石不易回收，造成资源损 失。图1 为某堑沟式底部结构由于斜面角设计不合理 而导致存留矿量的示意图。 国1 存留矿量示意 2 底部结构斜面在爆落的矿岩频繁冲击下易发 生破裂损伤形成凹坑，斜面的凹坑阻挡了爆落矿岩滑 落，从而加大了存留矿量。 3 当底部结构构建在废石区时，底部结构的破坏 部分混入矿岩中，加大了矿石的贫化率。 由于底部结构设计不合理或底部结构破坏造成矿 石存留形成采下损失的不容忽视，表1 为某地下矿山部 分采场因底部结构存留矿石而造成的矿石损失统计表。 表1 某矿山底部结构存留矿石损失统计 从表1 可以看出，存留矿石损失率最大的为5 4 1 1 ’ 采场．损失率高达2 2 ．0 7 ％，其他的损失均在8 ％以上， 给矿山造成了很大的资源浪费。因此，对采场底部结 构进行优化设计和研究，最大程度减少采场底部结构 存留矿石量，充分回采矿产资源十分必要。 1 ．2 斜面角取值影响因素 I 矿石的粘性。矿石的粘性是指矿石之间因湿 度等原因而粘在一起的性质。粘性的大小用粘结力来 表征。现场实测和模拟实验表明，粘结力是影响矿石重 力流动的重要因素。矿石枯结力的大小与其泥质含量、 湿度、压实力大小和压实时间长短关系密切，一般比表 面积大、泥质含量高 1 5 ％ 、湿度适中 5 ％一1 3 ％ 、压 实力大且作用时间长的矿石，其粘结力很大，易出现悬 拱和空洞”o 。为防止矿石因堆挤而导致的粘结力过 大，底部结构的斜面角应该尽量取大。 2 自然安息角。矿石的自然安息角是矿石自然堆 积在一起时矿石处于滑落与稳定的临界角。矿石的自 然安息角是矿石本身的物理结构与其所在的外界条件 的综合表现，它不仅与内摩擦角有关，还与载压条件、边 界条件、粘结力、块度湿度、含泥量等因素有密切关系。 按照大量的测定结果，金属矿山一般把矿石的自然安息 角看作是4 5 。。为了有利于矿岩从底部结构的斜面滑落 下来，斜面角度应该大于矿石的自然安息角。 3 拉底空间及底部结构的大小。采场拉底空间 应该足够大，能够保证爆落矿岩不会被卡住形成悬拱， 有效的顺着斜面滑落到漏斗或“V ”槽中。此外，底部 结构压占的矿岩很难采，大多数情况视为永久矿石损 失，故底部结构不宜过大。上述情况都要求底部结构 的斜面角不宜过大。 4 冲击损伤。矿岩爆破后落差较大，与底部结构 的斜面发生碰撞，动量的急剧减小，冲量巨大，作用在 瞬间完成，使得底部斜面受巨大的瞬时冲击力，易发生 破坏。大量矿岩的频繁撞击使得斜面受到循环冲击荷 载而产生累积损伤o “。图2 为采空区探测所得到的某 矿山堑沟式底部结构受矿石冲击的损伤情况。 圈2 某底部结构受矿石的冲击损伤情况 实验表明，岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷 载冲量有关⋯。同样的条件下，不同的冲击入射角会 对岩石产生不同的损伤效果⋯。因此，选择适当的斜 面角，可以有效减少爆落矿岩对底部结构斜面的冲击 损伤。 万方数据 第l 期朱栗宝等采场底部结构斜面角优化研究 1 9 5 其它因素。在底部结构进行设计时应充分考 虑便于施工、运输方便、有效放矿、节约成本等因素。 2 理论模型的构建 2 ．1 假设条件 1 爆落的矿岩竖直下落，只存在竖直向下的速 度，忽略水平方向上的速度。 2 爆落的矿岩同时接触作用在底部结构的斜 面上。 3 爆落的矿岩在跟底部结构的斜面碰撞作用后 的瞬间，其垂直方向上的速度变为零。 2 ．2 模型构建 设底部结构斜面上面积为A S 的上方有一高为日 的矿体需要回采。将底部结构上部需要回采的矿房 或矿柱 沿着竖直高度等分为n 等份，取每一等份中 心到底部结构斜面A S 中心的竖直高度为h 。于是得 每一部分的距离为h 。，h ，⋯，h 。。由 ．2 h g ．t 1 厶 分别计算出它们到达底部结构斜面的时间t 。，t ，⋯， t 。。由 t ， , ／2 9 h 2 可得到1 一，t 层矿块到达底部结构斜面时的速度t ，，， 吃，⋯，秽n0 相邻矿块到达斜面的时间间隔为 A t l 2 t 2 一t l ，A t 2 3 t 3 一t 2 ，⋯，A t 。一l t 。一t 。一l 并假设矿块在一个很短的时间内所受到的斜面所给予 的力F 为竖直向上。各部分矿岩与底部斜面的冲击 作用时间分别是兀，咒，⋯，L 。 由冲量定理 J F d t m g A t 0 一m 1 0 3 々 其中r 为F 作用的时间区域。 m 可由以下公式求得 m A S C O S 口H P l ／n 4 其中口为底部结构的斜面角度数，P 为矿岩密度。进 而得出各层矿块所受的冲量L 的大小 厶 J F 。d t 5 J ％ 由于实际爆落的矿岩与底部结构斜面碰撞与上述 假设碰撞条件有一定的偏差，故引入修正系数A ，则实 际的冲量大小，’可表示为 ，’。 A 厶 6 由以上各式可以得出作用力F 。。 如此，可得到力的加载规律即作用力E 在斜面 上作用时间一，间隔A t ，；作用力R 在斜面上作用时 间疋，间隔A t ，；作用力F 。在斜面上作用时间疋。 爆落的矿岩与底部结构斜面的冲击作用时间非常 短暂。葛涛。1 叫等的研究表明，坚硬岩石受冲击荷载作 用时近区介质中产生应力波，其应力急剧增长时间与 应力下降时间的比值很小，为0 ．2 ～0 ．3 ，本文以此作 为参考。 岩体的内部存在裂纹，当受到冲击载荷作用时，这 些微裂纹被激活，形成应力释放区，并产生累积损伤， 当损伤累计达到某一域值时，将导致材料强度和刚度 的劣化，并最终开裂破坏【1 1 - 1 3 ] 。 根据底部斜面既受压又受剪的作用情况，将岩石 视为理想化的弹翅性模型，采用莫尔库伦与拉破坏准 则结合的复合准则。选用T C K 损伤本构模型，假设岩 石的裂纹服从W e i b u U 分布给出的单位体积的裂纹数 目和G r a d y 的名义破碎块度半径公式【1 4 5 1 ，于是得到 了裂纹密度C 。的表达式为 丘 寻南 筹 2 p - i “～。2 7 其中如为断裂韧度；m 为W e i b u l l 分布参数；P 为压 力，k 为与W e i b u l l 分布参数有关的系数；j 。为体应变 率；；～为最大体应变率；C 为一维波速 C 8 其中E 为岩石的弹性模量。 根据G r a d y K i p p 损伤模型，可得到损伤与破碎关 系‘1 6 - 1 7 ] 。裂纹在应力波的作用下起裂、成核、贯通，最 后形成宏观的破碎。定义损伤因子为1 的情形，即 D 0 兰1 9 其中t ，为岩石完成破碎所对应的时间。采用 S h o c k e y 【l 引等人的研究结果，认为碎片尺寸与损伤分 布函数间的关系为 以￡ d 等，o 1 0 这里的L 对应于裂纹半径为詈时的碎片尺寸。d r ，f 为损伤分布函数。 根据其损伤演化 叩 手竹C s 3 p 占 羽加 卜r3 d r 1 1 式中c 。为裂纹活化后的恒定断裂生长速率；J r 为在时 间0 一t 区段活化开始的时刻；n 为活化的内部缺陷数， 它服从W e i b u l l 分布 ／ t k e 4 1 2 后 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 考虑到 r q t r 1 3 一。～毒 1 4 有 ，白 D ￡ Id r , t d r 1 5 d ，，I Ⅳ r ，f 7 4 ”／．3 1 6 Ⅳ 叫卜杪。一毒 1 7 由式 1 0 ，可得到累积的碎片分布函数为 ， L 。J l ， z d z 1 8 累积的碎片情况反应了岩石受冲击损伤情况。 3 实例分析 3 ．1 工程概况与模型构建 某矿山地下采场矿房高为5 0m ，宽为1 8I l l 。其采 场采用堑沟式底部结构。采场底部结构如图3 所示。 ≮翟z 上一￡ 设上部落下的矿石厚度为0 ．5m ，矿石密度为 37 0 0k g ／m 3 。将落下来的矿岩视为一个整体大块。 由于目前尚无成熟的理论和测试手段准确确定物体间 碰撞的作用时间，所以用冲量表示冲击荷载的大小更 具实际意义”J 。在运用F L A C ”进行动载荷计算时，对 于粘性边界，须将输入动荷载的速度时程曲线转化成 应力时程曲线”1 。本文利用等值冲量进行冲击，取作 用时问为0 ．0 0 1s ，将矿石对斜面的冲量转化为均布荷 载施加到斜面上。可近似估算矿柱中心2 5m 处厚度 为0 ．5m 的矿块给底都斜面上施加的峰值荷载的大小 为4 0 0M P a 。故整个撞击的过程可简化为大小为4 0 0 M P a 的均布荷载每隔0 ．0 0 18 撞击斜面，一共撞击1 0 0 次，每次作用时间为0 ．0 0 1s ，取应力急剧增长时间与 应力下降时间比为0 ．2 5 的锯齿波为应力波。具体的 应力波时程图形见图4 。 固4 应力波时程圈形 固3 粟矿山采场雇部结构示熏 3 ．2 结果分析 底部结构的总宽￡为1 8 。，堑沟高t 为4m ，底部 底部结构在取不同斜面角时受冲击所形成的塑性 结构一侧的实体结构宽厶为7 。，堑沟的底板距拉底 区情况见图5 0 由图可见，底部结构的冲击损伤破坏 空间顶板d 为1 5 。。采场底部结构的岩石力学参数 竺翌主摹耋现兰孥性粤中。妻3 给出了底部结构取不 见．表2 0 9 1 。 同斜面角情况F 的塑性区的体积。 表2 岩石物理力学参数 取底部结构一侧的实体结构为模型，长为5m ，构 建若干个不同的斜面角的模型，进行冲击模拟。底部 结构斜面设置为静态吸收边界，四周设置为自由场边 界。采用局部阻尼，阻尼系数a 取为0 ．1 2 5 。 伯J b J c l 图5 底部结构在取不同斜面角时受冲击所形成的塑性区情况 a 4 3 。； b 4 8 。； c 5 3 。 万方数据 第1 期 朱栗宝等采场底部结构斜面角优化研究 2 1 表3 底部结构在不同斜面角时的塑性区体积 由表3 可知，塑性区的体积随着斜面角的增大而 减小，并且当角度位于4 9 。一5 1 。时，塑性区体积下降 比较明显。 3 ．3 最优斜面角 底部结构的最优斜面角是指能够使得底部空间的 存留矿量最小、出矿效率最高、底部结构施工简单和费 用最小并且便于回采工作的角度。这就必须使得底部 结构受损程度最小，不易形成凹坑；矿岩易于滑落。综 合考虑各种因素，建议矿山进行底部结构斜面角设计 时，应该在塑性区体积下降比较明显的区域内选择，即 4 9 0 ～5 1o 。 4 结语 构建了底部结构受下落矿岩频繁冲击的理论模 型，采用数值模拟的方法，定量分析了底部结构斜面角 取值对其受冲击损伤的影响，提出了最优斜面角概念， 并指出最优斜面角应该在塑性区体积下降比较明显的 区域取得。由于当前对冲击作用时间研究的局限性， 本文利用等值冲量进行力的加载使得冲击频率与真实 情况有所偏差，有待进一步研究。 参考文献 [ 1 ]孟稳权．冬瓜山铜矿阶段空场嗣后充填采矿法的底部结构选择 及优化[ J ] ．矿冶，2 0 0 4 ，1 3 4 4 - 7 ． [ 2 ] 王宁，韩志型．金川贫矿区自然崩落法采场底部结构的稳定性 [ J ] ．有色金属，2 0 0 4 ，5 6 3 7 9 8 2 ． [ 3 ] 郝建彬．漏斗式底部结构简化的探讨[ J ] ．有色金属，2 0 0 0 4 1 7 2 0 ． [ 4 ]阳雨平．新桥硫铁矿采场底部结构及参数优化[ J ] ．化工矿物与 加工，2 0 0 l 。3 0 5 2 2 2 4 ． 【5 ] 刘家胜．平底堑沟底部结构留矿采矿法的应用[ J ] ．中国钨业， 2 0 l O ．2 5 3 6 7 ． [ 6 ]匡玉生．粘性矿石放矿的促流技术研究和应用[ J ] ．金属矿山， 1 9 9 6 ，2 4 1 7 1 8 2 4 ． [ 7 ] 赵春彦，周顺华，袁建议．地铁荷载作用下叠交隧道长期沉降的 半解析法[ J ] ．铁道学报，2 0 1 0 ．3 2 4 1 4 1 1 4 5 ． 【8 ]林大能，陈寿如．循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报．2 0 0 5 。2 4 2 2 4 0 9 4 4 0 9 8 ． [ 9 ] 胡柳青．冲击载荷作用下岩石动态断裂过程机理研究[ D ] ．长 沙中南大学资源安全与工程学院，2 0 0 5 ． [ 1 0 ]葛涛，王明洋．坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状研究 [ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 7 ，2 7 4 3 0 6 3 1 1 ． 【1 1 ]刘海峰，宁建国．冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型 [ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 9 ，2 9 3 2 6 1 2 6 6 ． [ 1 2 ] G r e d yDE 。K i p pME ．C o n t i n u u mM o d e l i n g0 fE x p l o s i v eF r a c t u r e i nO i lS h a l e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fS o l i d sa n dS t r u c t u r e ，1 9 7 6 1 2 8 1 9 7 ． [ 1 3 ] F r e u n dLB ．D y n a m i cF r a c t u r eM e c h a n i c s [ M ] ．U K C a m b r i d g e U n i v e r s i t yP r e s s ，1 9 9 0 ． [ 1 4 ] L e eMT a y l o r ，E r - P i n gC h e n ，J o e lSK u s z m a n l ．M i c r o c r a c k I n d u c e d D a m a g eA c c u m u l a t i o ni n b f i t d er o c ku n d e rd y n a m i cl o a d i n g [ J ] ． C o m p u t e rM e t h o d si nA p p l i e dM e c h e n i e sa n dE n g i n e e r i n g 。1 9 8 6 ，5 5 3 3 0 1 3 2 0 ． [ 1 5 ]G r a d yDE 。K i p pME ．M e c h a n i s m so fD y n o m i cF r a g m e n t a t i o n F r a c t o mG o v e r n i n gF r a g m e n tS i z e 【J ] ．M e c h a n i c so fM a t e r i a l s ， 1 9 8 5 ，4 3 ／4 3 11 3 2 0 ． [ 1 6 ] G r e d yDE ，K i p pM E ．T h em i e m m e c h a n i e so fi m p a c tf r a c t u r eo f x v c k [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR e c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS C i e n e e 8 ＆C , e o m e c h a n i c sA b s t r a c t s ．1 9 7 9 ，1 6 5 2 9 3 3 0 2 ． [ 1 7 ] G r e d yDE ，K i p pM E ．C e n t i n u u mm o d e l i n go fe x p l o s i v ef r a c t u r ei n o i lB h a l e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l 如邮1 8 lo fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n g S c i e n c e s ＆G e n m e c h a n i c sA b s t r a c t s ，1 9 8 0 ，1 7 3 1 4 7 1 5 7 ． [ 1 8 ] S h o c k e yDA ，C u r r a nDR ，L y n nS e a m a n ．e ta 1 ．F r a g m e n t a t i o no f r o c ku n d e rd y n a m i cl o a d s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e - c h a n i o sa n dM i n i n gS c i e n c e s ＆G e o m e e h a n i o sA b s t r a c t s ，1 9 7 4 ，l l 8 3 0 3 3 1 7 ． [ 1 9 ] 黄志国．深井巷道失稳分析及锚杆支护参数优化[ D ] ．长沙中 南大学资源安全与工程学院。2 0 1 0 ． [ 2 0 ]刘晓明．金属矿隐患空区三维信息获取及其动力失稳数值分析 技术研究[ D ] ．长沙中南大学资源安全与工程学院，2 0 1 0 ． 万方数据