类框架结构支撑采空区的力学稳定性分析.pdf

类框架结构支撑采空区的力学稳定性分析 唐有德 ① 姚 香② ①河台金矿 , ②长春黄金研究院 摘 要河台金矿自2000年使用类框架结构支撑采空区这一新技术以来,根据矿山生产采场具体情况设计 多种模型,利用三维连续介质3D -σ有限元计算程序,实施分步开挖,计算结果大多数模型力学性能稳定,可以 做到安全生产。这从理论上为此种新型采空区处理技术的可靠性提供有力证据。 关键词岩金矿山 空场采矿法 类框架结构 采空区处理 力学稳定性 唐有德 工程师 广东高要 526127 1 矿山开发简况 广东高要河台金矿由高村设计能力500t/ d与 云西250t/ d两个矿区生产矿石,相距115km。高村 与云西矿区开采为含金蚀变糜棱岩型矿床,矿体在 水平走向上长度360～860m ,平均厚度2. 50～ 2155m ,倾角70 ～85,平均品位高村8107g/ t ,云西 7172g/ t ,上下盘均为不够工业品位的各种糜棱岩与 千糜岩,矿岩界线不清,靠取样化验确定。矿体大都 呈脉状,走向及垂向上连续性较差,走向连续长度 200～360m ,垂向100～150m。矿体具尖灭膨胀狭缩 规律,最大矿体厚度12m ,尖灭后一般呈右行侧列式 产出。矿石坚固性系数f 12～16 ,围岩f 10～12。 矿岩密度2172t/ m3,松散性系数116。矿石抗压强度 118.0～16212MPa ,围岩98～118MPa[1]。 矿岩属中等稳固的薄矿体急倾斜脉状矿床,主 要使用浅眼留矿法回采矿房,上向中深孔回收矿柱, 以空场采矿法为主要采矿方法。近年辅以干式充填 法回采富矿体。矿块沿走向布置,规格一般40m 40～50m ,每个中段安排8～18个采场。一个浅眼留 矿法矿房平均矿石量约14000t ,采下矿岩量16000t , 平均生产能力55t/ d～80t/ d ,采矿时间6～10个月, 出矿时间5～10个月,一个充填法采场矿石量 10000t左右,走向长度25m ,采完时间8～12个月, 平均生产能力30t/ d～40t/ d。高村矿区40中段以上 约有60万m3的采空区未专门处理,导致围岩塌方 而引起地表山体滑坡与陷落。40、80、120多个中段 数十个采场变空场法出矿为崩落法在覆盖围岩下出 矿,仅1999年～2001年3年间放出矿石222600t ,平 均每年约715万t ,出矿品位仅2186g/ t ,且约1/ 3为 品位低于110g/ t的废石。矿山估计二次出矿损失 率5 ,贫化率37 ,而统计11个采场实际二次贫 化率达48187 [2]。 2 类框架结构支撑采空区技术简介 为改变采空区未及时处理的落后状况,曾于 2000年开展应用多种技术的采矿方法综合试验研 究,为了有效处理采空区而使用类框架结构新型技 术,它是在水平上使用强度等级C20号钢筋混凝土 014～015m厚的人工底柱与部分不够开采价值的矿 石柱 3 ～5m厚 , 把中段水平的上下采空区隔断,而 在垂直方向上,在采场两端使用015m厚强度等级 C15～C20号钢筋混凝土而形成人工隔墙,中间填满 掘进废石而形成人工间柱,或使用强度等级C15号 素混凝土5m长的人工间柱,个别地段还留下部分 低品位矿石间柱与无矿带把左右矿房的采空区隔 开。 现在水平方向上采空区连续长度不足100m ,垂 直高度不到80m ,这个框架结构是不规则的,上下中 段可能不对应。根据开采多年之后的小体积独立空 区不会自然垮塌的状况,而产生了这种在生产实践 上有效的处理方法,与过去在覆岩下出矿相比,单个 采场的出矿二次矿石损失率由矿山估计的5 降至 几乎等于零,二次贫化率由37 降到不足5 ,整个 矿山出矿品位约提高110g/ t左右。 自2000年使用以来,2002年已产生明显效益, 选矿处理量282623t ,比2001年同期增加722t ,出矿 品位由平均5123g/ t升至6125g/ t ,纯增产黄金 29513kg ,利润达5015万元,比2001年同期1501万 元有大幅增长,创历史最好记录[3]。 3 采空区力学模型 第56卷 第2期有 色 金 属矿山部分2004年3月 311 基本力学模型 根据我矿浅眼留矿法生产矿块一般与生产探矿 网度相结合的基本情况,采空区力学基本模型为 40m40m ,上下中段均为钢筋混凝土底柱,中间为 5m厚混凝土人工间柱,两侧为矿石间柱,采场宽度 即矿体水平厚度,根据各生产矿块而定,第一个力学 模型矿体厚为3m ,如图1所示。 图1 力学模型示意力 1 混凝土;2 原岩。 在此基础上,力学模型加以延伸,其方法有三 一是矿体厚度从3m开始,逐步增至5m、7m与9m; 二是采场宽度定为3m ,但采场长度由40m分别增至 60m与80m;三是采场高度由40m增至100m。而其 它条件同基本模型。 312 计算数据 我矿矿岩体力学性质及混凝土力学性能,见表 1、 表2。 表1岩石力学强度指标 岩石名称抗压强度MPaK QD值岩石质量指标M 混合千糜岩71150169111785 千糜岩100150141511390 糜棱石矿石162120141021116 表2岩石力学计算材料参数 岩石名称 弹性模量 MPa 泊松比 密度 MN/ m3 内聚力 MPa 内摩擦 角 抗拉强度 MPa 围岩5000012001027251538310 矿体5200012001027231835118 破碎带3000012501027011832018 碎石充填体2800013001021411023016 C20混凝土2500001200102502010411016 C15混凝土220000120010250181040810 4 类框架结构支撑采空区有限元分析 411 计算程序 在采矿工程中,不论是巷道、 采场,还是充填料 都是在三维空间中,处于三维受力状态,三个主应力 对采矿工程的稳定性均有重要作用。同时,采矿过 程是动态的,采场结构、 岩体受力状态,都在不断变 化。因此,采用了三维有限元方法来分析这个问题。 本次计算采用3D -σ计算程序,它主要模拟岩土工 程结构在三维应力、 应变状态条件下的力学行为及 动态变化规律。 412 破坏准则 本项目计算研究范围涉及的岩体为糜棱岩、 金 矿体、 脉岩和充填体,这些介质均属弹塑性材料,适 用于莫尔 库仑破坏准则。其计算公式为 σ1-σ3/ 2 〔σ1σ3 / 2 〕 Sin CCos 或fs σ1-σ31 Sin/ 1 - Sin - 2C1 Sin/ 1 - Sin 式中,σ1 最大主应力,MPa ; σ3 最小主应力,MPa ; C 材料内聚力,MPa ; 材料内摩擦角 , ; fs 破坏判断系数,当fs≥0时,材料处于塑性 流动状态;fs≤0时,材料处于弹性变形阶段。 在拉应力状态下,如果拉应力超过材料的抗拉 强度,那么,材料将发生拉伸破坏。 413 模拟开采过程 岩石力学研究的一个重要成果是岩体力学行 为除与本身的物理力学性质有关外,与载荷状态和 加载历史也有直接关系。事实上,岩体现时力学行 为是整个开采历史过程的一个过渡状态,它既是对 过去不同开采时期岩体状况叠加后的综合反映,也 将对未来开采过程和结果产生影响。欲研究将来出 现的状况,应系统模拟整个开采历史和开采过程。 模拟计算过程如下① 根据矿体所处位置及围 岩条件,形成初始应力场;② 实施分步开挖,其开挖 原则与矿体开采顺序相关,则自上而下分中段回采, 而对每个采场具体开采时则自下而上开挖。根据各 个模型的不同,将开采过程分成7～9步。其意义为 自上而下开采一个矿体时,为第一开挖步,可能是 40m或80m的中段,而第二个开挖步也可能40m或 80m的中段,但第三、 四个开挖步可能是先开采采场 两侧的矿体,第五、 六、 七步为本采场的上向开采,直 至本采场开采结束。 5 主要结论与建议 通过大量计算及作图,综合分析其最大与最小主 应力、 垂直与水平方向位移、 纵剖面最大主应力及其 水平位移值等资料,可以得出如下几点结论与建议 下转第29页 22 有 色 金 属矿山部分第56卷 运机所用的备件大多是国内尚不能生产的进口件, 所以费用比较高。例如桥壳损坏,进口一个桥壳报 价10600美元,国内研制生产,费用仅6000元人民 币。国产桥壳的价格仅为进口件的7 。显然,降 低备件支出的途径是备件国产化。 轮胎支出仅占1618 ,排在第三位。主要得益 于全部采用国产轮胎。如果采用进口轮胎这项费用 将增加一倍左右。753矿在试验期间累计消耗轮胎 38只,平均铲运机运行64小时消耗一只,轮胎的平 均寿命为256h/只。从试验的情况看,目前国产轮 胎的质量已经接近进口水平。河南焦作轮胎平均寿 命约200h/只,价格1885元/只;中美合资的天津轮 胎平均寿命约300h/只,价格2714元/只。二者的功 能价格比相当。 ST- 115型铲运机的发动机为F4L - 912W型柴 油机,额定功率为41kW ,在额定功率下柴油的消耗 为10kg/ h。但铲运机在搬运过程中一半是空行程, 重车又是下坡,在井下的运行速度又很低,所以实际 油耗远低于此值。753矿在试验中柴油平均消耗为 613kg/ h ,这个数字是偏高的。 3 结论 经过分析论证,可以确认ST - 115型铲运机在 753矿采矿中的各项运行参数与技术经济指标是正 常的,采矿的综合经济指标也是先进的。这次试验 提高了我国地下铀矿山的技术经济水平。753矿这 样一个矿床地质条件很复杂的小型矿井,在井下率 先采用小型无轨设备,并迅速在矿山基建和生产中 取得了良好的技术经济效果,是非常难得的。这一 研究成果开创了国内小型矿山成功应用无轨设备采 矿的先例,在我国小型矿山中具有推广应用价值,荣 获了2000年国防科技成果二等奖。 参 考 文 献 1 陈俊彦,卜英勇,王妙钦 1 地下矿山无轨开采及设备[M]1 北京 冶金工业出版社,1986 ,183 2 李建成 1 矿山机械装载机械部分 [M]1 北京冶金工业出版社, 1981 ,347□ 上接第22页 1最大主应力和最小主应力在矿体及附近围 岩中产生较大的应力集中,且随着矿房面积的增大, 应力集中程度和应力集中区域也越大。当矿房高度 达100m时,应力集中超过80MPa ,远远大于原岩应 力。 2由于顶柱和底柱由混凝土构筑,顶、 底柱的 位移都被限制在比较小的范围,不会对回采产生大 的影响,但在矿体的上、 下盘其水平位移较大,足以 造成矿房产生破坏。 以上结论与建议,我们可以得到几点重要认识 一是由模拟力学理论计算分析结果,证明类框架结 构采空区处理新技术是安全的;二是可以指导今后 采矿设计与矿山生产,严禁采用大面积矿房与100m 高度的连通采空区;三是新产生的未充填采空区可 能成为下部矿体开采新的安全隐患,云西矿区的采 空区今后大部分将使用掘进废石充填,而高村矿区 的采空区今后如何处理将要深入调查研究之后再作 决定。 参 考 文 献 1 王斯亮,姚 香 1 河台金矿资源利用与探矿增储途径 1 黄金科学 技术,2001 ,44～45 2 李建甘,姚 香 1 高村矿区二次贫化原因分析及降低方法实践 1 黄金,2002 ,15～18 3 陈友东,唐有德,姚 香 1 类框架结构采空区处理新技术的研究 与应用 1 有色金属矿山部分 ,20026 □ 第2期雷泽勇等ST- 115型铲运机在采矿中的运行分析29