倾斜中厚矿体卸压开采应力迁移规律.pdf

收稿日期 2010- 03- 27 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 2007AA06Z107 ; 国家科技支撑计划项目 2008BAB34B01, 2008BAB34B02 ; 教育部新 世纪优秀人才支持计划项目 NCET - 07- 0163 ; 国家自然科学基金资助项目 50974031 ; 中央高校基本科研业务费 资助项目 N090401006 作者简介 刘建坡 1982- , 男, 河北保定人, 东北大学博士研究生 第31卷第9期 2010 年 9 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol31, No. 9 Sep.2 0 1 0 倾斜中厚矿体卸压开采应力迁移规律 刘建坡1, 陈 斌2, 杨宇江1 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 丹东市黄金管理局, 辽宁 丹东 118300 摘 要 针对金属矿床围岩破碎、 采准巷道受地压影响破坏严重的现象, 应用数值模拟的方法, 对不同开 挖方式下岩体应力场变化规律和分布特征进行了分析, 探讨了通过卸压工程调控应力场迁移的力学机制, 为 采场结构参数的优化提供了理论依据研究表明 开挖矿体会造成附近岩体内的应力重新分布, 采用增大空区 跨度和减小空区高度的回采方案, 可以实现卸压开采的目的; 结合某铜矿倾斜中厚矿体条件, 进路布置在距矿 体下盘 6m 处, 进路附近的垂向应力降低 18 , 能够满足卸压及经济效益的要求 关 键 词 无底柱分段崩落法; 卸压开采; 应力迁移; 数值模拟 中图分类号 TD 323 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026201009 -1349 -04 Numerical Studies on Stress Migration During Depressurized Mining for Inclined Medium -Thick Ore Bodies LIU Jian -po1, CHEN Bin2,YANG Yu -jiang 1 1. School of Resources 2. Gold Management Bureau of Dandong, Dandong 118300, China. Correspondent LIU Jian -po, E -mail jianpoliu 163. com AbstractTo solve the problems that mining tunnels along vein often destroyed by the poor stability of surrounding rock of metallic mineral deposit and ground pressure, the distribution characteristics and changes of ground stress in rock mass due to different mining s were studied numerically. The mechanism of stress field migration controlled by depressurization was discussed to provide theoretical basis for the optimization of structural parameters of stopes. The results showed that mining ore -body will induce ground stress re -distribution in rock mass nearby, and increasing the span or decreasing the height of goaf can lead to obvious vertical stress drop so as to implement depressurized mining. For the medium -thick ore -body of a copper mine, the numerical results showed that when the roadway is located 6m away from the footwall of the ore - body, the vertical stress in the vicinity of roadway is decreased by 18 after mining, which can meet the requirements of depressurized mining and economic benefits. Key words no -pillar sub -level caving ; depressurized mining; stress migration; numerical simulation 采场地压是原岩作用在采场顶板、 矿柱、 围岩 上的压力与围岩因位移或冒落作用在支护结构上 压力的总称, 是矿床地下开采中面临的一个复杂 的问题采场和巷道被开挖后, 应力场重新分布会 在开挖范围的一定区域内形成应力集中区域和应 力降低区域, 从而使巷道或采场周围的岩体发生 变形、 移动和破坏, 影响巷道或采场的稳定性, 从 而使采矿活动变得更为复杂和困难因此, 掌握地 应力的迁移规律并采取有效措施控制地压活动是 确保矿山持续安全生产的根本保证针对高应力 区松软破碎矿体的开采特点, 国内外学者总结出 了许多地压活动的规律及控制方法, 取得了显著 的效果[1- 4]对于中厚矿体, 卸压难度更大, 要求 采场布置方式及参数的选择也更严格[5- 7]本文 采用 2D - 软件对某铜矿不同开挖方式下岩体内 部应力场分布特征和迁移规律进行了数值分析, 探讨了通过卸压工程调控应力场迁移的力学机 制, 为矿山的安全高效生产提供依据 1 岩体力学参数 数值模型的尺寸为 100 m 100 m矿体上盘 为石英岩, 下盘为泥质石英岩, 水平厚度 10 m, 矿 体倾角 50 , 岩石的物理力学参数见表 1为了满 足计算需要和保证计算精度, 模型尺寸为所开挖 表 1 岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of ore - bodies 岩体类型弹性模量/GPa泊松比 内聚力/MPa内摩擦角/ 容重/ tm- 2 石英岩26. 460. 255. 2345. 12. 7 矿体5. 970. 252. 1228. 62. 7 泥质石英岩14. 490. 254. 13422. 7 范围的 5 倍[8]模拟计算时塑性屈服准则采用 Drucker -Prager 准则 2 开挖高度和跨度对应力迁移的影 响 为研究开挖高度和跨度对应力迁移的影响, 在矿体下盘沿脉布置一条进路, 采用三种开挖方 式进行模拟分析模型 1 不开挖矿体上盘岩石, 见图 1a; 模型 2 开挖小部分矿体上盘岩石, 开挖 空间的高度与模型 1 相同, 跨度比模型 1 的大, 见 图 1b; 模型 3 开挖小部分矿体上盘岩石, 开挖空 间比模型 2 高 5 m, 跨度与模型 2 相同, 见图 1c 以上三种开挖方式均回采一个分层 图 1 三种不同开挖方式的模型图 Fig. 1 Models of three mining ways a 模型 1; b 模型 2; c 模型 3 2. 1 不同开挖空间跨度 从图 2 可以看出 无论开挖矿体上盘岩石与 否, 开挖后空区下面都会出现一定范围的垂向应 力降低区在应力降低区内, 随着与空区底板距离 的增大, 垂向应力降低程度逐渐减小但是, 在空 区下面同一水平, 两种情况的应力降低程度并不 一样当开挖上盘岩石 空区跨度增大 时, 垂向应 力降低程度更大一些这说明空区跨度对应力降 低区内垂向应力的降低程度有一定的影响, 各个 水平的垂向应力降低程度随着空区跨度的增大而 逐渐增大 图 2 不同跨度空区应力降低情况比较 Fig. 2 Comparison between stress drops with different spans 2. 2 不同开挖空间高度 模型 3 中的开挖空间高度比模型 2 高 5 m, 会导致空区附近岩体中应力迁移规律的差异性 图 3 为跨度相同开挖空间高度不同时空区下面不 同水平垂向应力降低情况比较图在空区下方垂 向应力降低区内, 随着与空区底板距离的增大, 两 种情况的垂向应力降低程度都逐渐减弱但是, 两 者的应力降低程度并不一样在同一水平, 空区高 度增大, 应力降低程度小反之, 空区高度小, 应力 降低程度大 图 3 不同高度空区下应力降低情况比较 Fig.3 Comparison of stress drop of different heights 1350东北大学学报 自然科学版 第 31 卷 3 回采不同分层对应力迁移的影响 根据回采一个分层的三种开挖方式数值分析 结果可知 模型 2, 即增大开采空间跨度和减小开 采空间高度的开采方式会在空区下侧产生较大的 垂向应力降, 更有利于提高卸压开采的效果为了 更深入地研究问题, 下面将对回采两个和三个分 层的情况进行分析, 只研究开挖矿体上盘岩石的 情况, 并与开挖一个分层的模拟结果进行比较 模型 1 回采两个分层矿体, 沿脉布置进路, 开挖小部分矿体上盘岩石, 模型尺寸 150 m 150 m, 见图 4a模型 2 回采三个分层矿体, 沿脉 布置进路, 开挖小部分矿体上盘岩石, 模型尺寸 150 m 150 m, 见图 4b 图 4 回采两个及三个分层的模型图 Fig.4 Mining models of two and three sublevels a 模型 1; b 模型 2 图 5分别为回采一个分层、 两个分层及三个 分层后的空区周围应力分布图从图中可以看出, 开采后, 空区周围的应力都发生了明显的重新分 布, 开采分层数不同, 应力集中区和应力降低区的 情况并不一样随着开采层数的增加, 应力集中区 图 5 不同开采分层数目空区周围应力分布情况比较 Fig.5 Comparison of stress concentration around the goafs when mining at different number of sublevels a 回采一个分层; b 回采两个分层; c 回采三个分层 和应力降低区的范围逐渐变大而且, 随着开挖层 数的增多, 空区下方应力降低区域并未向矿体下 盘逐渐靠近, 而是逐渐远离矿体下盘 表 2 列出了回采不同层数后空区两侧应力集 中的最大值开挖分层后, 在空区两侧出现了应力 集中区, 尤其空区上盘下角和空区下盘上角处应 力集中最明显, 且无论开挖几个分层, 应力集中最 严重处都在空区上盘的下角处空区上方和下方 为应力降低区根据数值模拟结果, 得出了开挖不 同层数后空区下面不同水平进路布置处及最大应 力降低处应力降低情况, 见表 3从表 2 和表 3 可 以看出 开采分层数不同, 应力集中情况并不一 样, 随着开采层数的增多, 原岩应力更多地转移到 空区两侧的应力集中区域, 应力集中区的范围及 应力集中程度逐渐增大空区下方应力降低区内, 表 2 回采不同层数后空区两侧应力集中情况 Table 2 Stress concentration on two sides of goaf after mining at different numbers of levels 应 力一层二层三层 原始应力/MPa- 15. 42 - 15. 71- 16 应力集中后最大值/MPa- 47. 01 - 56. 73 - 65. 04 应力集中系数3. 053. 614. 07 表 3 开挖不同分层数时空区下面不同水平应力降低情况比较 Table 3 Stress drop comparison when mining at different number of levels under goaf 位 置 应力降低率最大值/ 一个分层二个分层三个分层 进路布置处应力降低率/ 一个分层二个分层三个分层 空区下第一分段18. 524. 431. 91818. 419. 3 空区下第二分段8. 613. 12055. 35. 9 离空区越近, 开挖后应力降低程度越大随着开采 层数的增加, 空区下面应力降低区内应力降低程 度逐渐增大, 但是, 虽然空区下面各个分段进路布 置处 L 6 m 处 的应力降低率有所增加, 但增 加很小, 变化不大 4 进路位置的确定 由以上数值分析可以确定 开挖后, 下分段靠 1351第 9 期 刘建坡等 倾斜中厚矿体卸压开采应力迁移规律 近矿体下盘部位处于应力降低区内, 在此位置布 置采准巷道, 能更好地保证巷道的稳固性和安全 性对于进路位置的确定, 必须考虑以下因素 卸 压、 开挖下盘围岩量、 炮孔上下盘边孔角依据模 型 3 采场结构方式在回采分段下面相邻分段水平 布置一些垂向应力考察点其中 1 点位于矿体下 盘矿岩接触处, 3 点、 9 点分别在垂直方向对应上 分段回采空区的左右边界, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 10 点分 别位于矿体下盘 1. 5, 6, 8, 10, 12, 14, 19 m 处, 见 图 6 图 6 考察点位置布置图 Fig. 6 Layout of observed points 从图 7 可以看出, 5 点处垂向应力降低率最 大, 其值为 185 , 4 点处次之, 为 18如果将 进路布置在 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 点, 无法同时满 足卸压、 少开挖下盘岩石及合理的炮孔边孔角几 方面的要求4 点处应力降低率为 18 , 不但卸压 效果好, 而且开挖下盘岩石量也不大, 此时上下盘 边孔角分别为 55和 72, 大于该铜矿矿体散体放 出角, 满足矿石放出的要求可见, 4 点处布置进 路最合理, 即将进路布置在矿体下盘 6 m 处 图 7 考察点的垂向应力变化情况 Fig. 7 Changes of vertical stress at observed points 5 结 论 1 开挖方式的选取会造成空区周围应力迁 移规律不同, 增大空区跨度和减小空区高度会在 空区下侧产生较大的垂向应力降, 更有利于提高 卸压开采的效果 2 开挖不同数量的分层后, 空区两侧出现应 力集中, 且随着开挖层数的增多, 两侧应力集中程 度及空区下方应力降低程度增强 3 当采准巷道布置距矿体下盘 6 m 处时, 既 能满足少开挖下盘岩石及合理炮孔边孔角的要 求, 又能达到卸压的需求 垂向应力降低率 18 在此处布置采准巷道, 能最大限度地保证巷道稳 固性, 以确保安全生产的需要 参考文献 [ 1]Singh R, Singh T N. 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