玲珑金矿深部开采三维有限元数值模拟研究.pdf

玲珑金矿 蔡 美峰 ，王双红 1 熏 氧 衰l 享 丽程 学 院．北 京1 o Ⅷ∞№ 4 De e o m 2 O 0 O 摘要 玲珑金矿已进八深部开采， 其工程地质条件和矿体赋存状况恶化， 地应力增大， 地压显瓒加剧。果用 一 ，自 1 9 6 2年投 产以来， 采矿 一直沿用浅孔 留矿 法 目前最低作业 中段已达到 一2 7 0 m水平， 距地表 5 0 0～ 6 0 0 m 。随着开采深度不断增加， 深部矿体赋存状况发 生了很大的改变， 矿体倾角变缓， 厚度加大， 出现了九 曲 l O号脉的破碎带蚀变岩型矿体。同时， 深部工程地 质条件也变得更加复杂， 围岩稳定性状况恶化， 地应力 增大， 地压显现加剧。上部的大量采空 区对下部开采 的稳定性造成很大影响． 生产 中已出现部分采场 的顶 板受拉 破坏 ， 围岩 自行 脱落。此 外 ， 玲珑 金 矿 已在 一 8 0 0 m 水平又发现了有开采价值的新矿体， 因而未来 的开采深度将超过 1 0 0 0 m， 成为我国黄金矿 山开采深 度最大的矿山。为 了解决深部开采的难题 ， 保证深部 开采的安全， 降低贫化率， 提高矿山的产量和效益， 必 须进行矿床深部岩石力学和采矿方法的综合研究。三 维有限元数值模拟是该项研究的主要内容之一 。 1 计算模型和力学参数 1 ． 1 计算模型 玲珑金矿的矿体多 以矿脉形式分布 ， 其特点是矿 体厚度较小 ， 一般在 0 ． 51 0 m之间， 而沿走 向则长达 1 0 0 ～1 0 0 0 m。在整个矿床范围内， 分布有大小不等的 矿脉近 5 O O条 ， 其 中规模较大且具有 开采价值的有数 l O 条。与矿体厚度相比， 矿脉之间的距离较大． 在开 采过程中， 各矿脉的相互影响较小 。所以没有必要建 立包括所有矿脉的计算分析模型， 按照典型与一般相 结合的原则， 考虑深部开采远景， 选取其中具有代表性 的位于九曲分矿的 3 条矿脉 1 0 号、 l 8 号和 4 7 号 进 行分析。 4 7号矿脉位于九曲分矿 4 7 勘探线和 2 3 勘探线之 间 ， 平均走向约 4 5 。 ， 倾 向 S E ， 倾角 8 o 。 左右。l O号矿脉 位于九曲分矿 2 9勘探线和 1 7勘探线之问， 平均走 向 0牧稿日期 0 0 - 0 3 1 6 第一作者男教授博士 分矿 7 1 勘探线和 2 9勘探线之间， 在矿 床内平均走向 5 5 。 ， 倾向 s E ， 倾角 8 0 左右， 该矿脉以蚀变岩为主， 矿体 长约 1 0 0 0 I l l ， 厚度为 1 03 ． 0 m 是该矿 目前及今后 开采的主要矿脉。 本文采用的计算模型分两类 ， ① 同时考虑三条矿 脉， 网格划分较粗 ； ② 只考虑 l 8号主矿脉 ， 单元划分 较细 ， 充填材料对 比和采矿方法选择均 由此模型计算 根据各矿体赋存特点， 建立三维计算模 型。模型范围 为 水平方 向沿矿体走向从 7 7 勘探线至 l 】 勘探线 ， 长 1 3 2 0 Il l ； 垂直矿体走向取 5 O O Il l ； 铅直方向从地表 3 0 0 m水平取至 一 3 9 0 m 水平， 总高6 9 0 Ill ， 最终形成的模型 为 1 3 2 0 121 5 O O I ll 6 9 0 r fl 。第一类模型共 4 8 2 4 8 个节 点 ． 其中有 1 1 7 4 7个是 2 0节点的等参三维单元 ， 第二 类模型共 4 2 9 2 3 个节点， 其中 1 0 4 7 2 个 2 D 节点的等参 三维单元。模型底部限制垂直方 向移动， 四个侧面限 制垂直于该平面的水平方 向移动， 上部为 自由面。使 用大型三维非线性有限元程序 3 D 进行计算 ， 计算 网格 由计算机 自动生成 1 ． 2 力学参数 玲珑金矿的矿体赋存 于脉岩之中， 上下盘均为混 合花岗岩，围岩 、 脉岩和矿体 的力学参数均 由岩石力 学试验获得， 计算中涉及的充填体 1 为高强度尾砂胶 结充填料， 充填体2为低强度尾砂胶结充填料， 充填体 3 为废石充填料， 它们的力学参数取值根据已有资料 选取 见表 1 1 ． 3 原岩应力场 原岩应力场由应力解除法确定。使用完全温度补 偿的空心包体应变测量技术对矿区的地应力进行 了现 场实测 ， 获得矿区 5个水平 l 2个测点的三维地应力数 据， 并建立了矿区的地应力分布模型如下 维普资讯 第 4 期 蔡美峰等 玲珑金矿探部开采三维有限元散值模拟研究 寰 1 计算材料力学参数 弹 勘泊松 k N 啬度 - m- ， 。。。。。。。。 。____。●___-。。。‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。●-。。。 ’● 。。。 。。。。。。。。。。。一 目岩 2 5 0 0 ． 2 5 2 7 ． 4 6 O 辣岩 2 4 0 ． 2 5 2 6 4 5 5 矿体 2 1 ． 0 0 2 7 2 7 8 5 0 充填体 l 1 ． 2 0 2 8 2 0 2 0 6 充填体 2 0 ． 5 0 ． 2 8 2 o ． 2 0 ． 6 充填体 3 0 ． 5 0 ． 2 8 2 o ． 2 0 6 内摩擦 抗拉 角， 。 强度， 旺 3 5 8 6 那8 4 3 o 8 3 加 O 5 加0 5 加 0 5 『 a h ． ～ 0、 7 20 ． 0 5 5 9 H { “ 0 ． 8 o 0 ． 0 2 3 4 H 1 L ol o ． 3 2 o ．0 2 8 0 H 式中 一、 和 分别为最大水平主应力 、 最小水 平主应力和铅直方向主应力 ， MP a ；H为测点埋深 ， m。 2 计算方案 为了研究深部开采的地压活动规律和围岩稳定性 的动态变化过程 ， 并分析开采顺序和开挖步骤对开采 稳定性的影响 ， 计算中采用 了各中段分步 回采的计算 方式 ， 计 算范 围包 括 1 3 0 ， 9 o ， 5 0 ， 1 0 ， 一3 0 ， 一 7 0 ， 一1 1 0 ， 一1 5 0 ， 一1 9 0 ， 一 2 3 0 ， 一2 7 0m共计 1 1 个 中 段， 每中段高为 4 0 m 。计算过程中， 1 3 0 ， 9 o ， 5 O i n 三个 中段同时回采 ， 以下 8 个中段分 4步 回采 ， 每步 回采 2个中段。计 算结果给出每步 回采后 围岩应力、 位移和塑性区的分布情况， 从而模拟出整个开采过程 中， 围岩应力、 位移 和塑性区的动态变化与发展过程 ， 并对开采顺序和开挖步骤对开采稳定性的影响作出评 价 ， 为选择合理的开采顺序 和开挖步骤提供依据。根 据 目 前矿山的开采状况， 为给今后深部采矿方法选择 提供建议， 计算中采用 了无充填采 矿法 和充填采矿法 两类计算方案， 在充填采矿法中， 又考虑了三种不同的 充填材料， 因而共有 四组计算方案。 ．3 无充填开采计算结果及其分析 无充填开采的计算结果， 给出了五步开采过程中 每步开采后围岩和矿体中各单元的三维应力、 位移和 采空区周围塑性区范围与分布， 为分析和判断采空区 的稳定性提供了定量依据 。 3 ． 1 应力分布状态夏其变化过程 五步开采结束后， 三条矿脉的上、 下盘围岩和顶 板 、 底板 矿体 中的最大主应力 压应力 以及 围岩中 的最大拉应力值见表 2 。应力分布状态反映出如下的 规律 1 在采空区围岩和下方矿体中产生较大的应力集 中 且矿体沿走向开采范围越大 ， 产生的应力集 中程度 也越大， 影响范围也随之扩大， 尤以 l 8号矿脉围岩产 生的应力集中现象最为严重。当 一2 7 0 m中段开采结 束后 ， l 8号矿脉采空区下方最大主应力值达到 1 1 4 ． 3 M P a ， 接近单轴抗压强度值 ， 采空 区下方矿体和围岩 已 成片进人塑性状态。在这种应力状态下 ， 再进行 空场 法采矿是极为困难的 ， 也是不安全的。 2 从采空区横剖面看， 其边缘围岩中出现应力降 低区， 紧接着就是应力升高区。这是因为原岩应力的 最大主应力垂直于矿体走向， 矿体开采后应力转移到 周围岩体中， 形成了应力升高区， 而且随着开采深度的 增加， 应力升高区的范围不断增大， 应力值也越来越 大。在应力升高区的外面又出现一个应力降低区， 远 离采空区后原岩应力相接近。在采空区端部出现应力 集中区， 其范围和应力值大小也随开采深度增加而增 大， 在采空区边角处出现拉应力， 其值也随开采深度增 加而加大。 3 从垂直于矿体走向的采空区纵剖面看， 在采空 区上部形成一个应力集中区， 随着开采深度的增加 ， 其 应力集中的最大值变化不 大， 并且其影 响范围也没有 显著变化。在采空 区中部形成应力释放区， 并局部出 现拉应力 ， 随开采深度的增加 ， 应力释放区的范围也不 断向下延伸， 基本保持在最终开采平面的上一个 中段 ， 而且也随开采深度的增加而扩大。由于岩石的抗拉强 度很低， 拉应力区的存在与扩展对采场稳定性构成较 大威阱 寰 2 五步 开挖 后的应力分布状态， ～ 瞥 维普资讯 6 矿冶工程 第 2 0 卷 3 ． 2 位移分布状态厦其变化过程 五步开挖后， 在上、 下盘围岩中沿垂直矿体走向引 起的最大水平位移值和采空区顶板与地表引起的最大 垂直位移 下沉 值见表 3 。位移分布和变化过程反映 出如下的规律 1 每步开挖后在上盘围岩中引起的位移均比下 盘值大 1 0 ％左右， 走向长度大的矿脉开挖后出现的位 移值比走向短的大。 2 随着开采深度的增加 ， 上、 下盘的最大水平位 移和顶板、 地表的最大下沉值均不断增加。位移值是 各开挖步累计的结 果， 如单独考虑每步开挖引起 的位 移值， 特别是地表下沉值， 位移值不是随开采深度增大 而增加， 而是呈现出先增大而后减小的趋势。如 1 8 号 矿脉， 第一步至第五步开挖， 各步引起的地表最大下沉 分别为 1 2 ． 9 ， 1 9 ． 7 ， 2 8 ． 1 ， 3 4 ． 9 ， 2 4 ． 6 I h T i 。 ‘ 3 ． 3塑性区分布范围聂其变化过程 通过对 一 7 0 m中段开采结束至一 2 7 0 m中段开采 结束的塑性区分布进行分析发现， 随着开采深度的增 加， 其范围也不断扩大。当一7 0 m中段开采结束后， 只有零星的塑性区出现， 而当 一1 1 0 m中段开采结束 后 ， 就出现了连在一起的塑性区 ， 其范围 比 一7 0 1 1 1 中 段开采结束后增大约2 倍； 开采到 一1 5 0 m中段后， 塑 性 区的范 围沿垂 直 方 向 已接 近采 空 区 的 高度 ， 比 一 7 0 m中段开采结束后增加 3倍左右 ； 开采到 一1 9 0 m 中段后 ， 最下部采空区两侧围岩中的塑性区在水平方 向也已经局部连在一起 ， 塑性区范围比 一7 0 n l 中段开 采结束后增加约 5 倍； 当开采深度到达 一 2 3 0 m中段 时， 最下部采空区两侧围岩中的塑性区无论沿矿体走 向还是垂直 矿体方 向均 已连成 一片， 塑性 区范 围 比 一 7 0 m中段 开采结束后增加 l O 倍左右。所以， 从塑性 区范围的变化过程看 ， 当开采深度达到 一1 9 0 m 中段 时， 采空区的稳定性就会受到严重威胁。 4 充填与非充填开采计算结果的比较 从 以上分析结果发现 ， 无论从应力和位移的变化， 还是从塑性区分布的角度出发， 深部开采如果继续使 用不充填的空场法， 则矿区的稳定性随着采深的不断 增加而变得越来越差， 特别是 一1 9 o m及其以下中段 的开采稳定性将难以保证。为此， 对使用充填采矿法 的应力与位移进行了计算， 并对采场稳定性进行了分 析。表 4给出了使用 三种 充填 料后的 围岩最大应力 一、最大位移 和地表最大下沉 s 一的计算结果。 4 ． 1 围岩应力的变化 采用 1 号充填体充填后， 整个纵剖面上的应力分 布仍然可以分为上部应力集中区、 中部应力降低区和 下部应力集中区。由于充填极大地缩小了应力集中区 的范围 ， 也减小了拉应力区和拉应力的最大值， 因此 ， 充填对改善围岩的稳定性起到重要的作用。 一2 7 0 m 表 4 充填涪采矿圈岩应力 位移计算结果 维普资讯 第 4 期 蔡美峰等 玲班金矿耀部开采三维有限元敷值模拟研究 中段开挖后 ， 非充填采矿法在 围岩中引起 的最大主应 力为 1 1 4 ．3 M P a ， 而充填采矿法 1 号充填体 却为 5 1 ． 4 M P a ， 可见充填采矿法使最大主应力值降低了 5 5 ％。 4 ． 2 围岩位移和地表沉降的变化 由于从 一1 5 0 m中段往下采用 了充填法 ， 因而在 其以下中段的开采过程中所产生的位移要 比不采用充 填时小。 一2 7 0 m中段开挖后 ， 非充填采矿法在 围岩 中引起的最大位移为 1 6 6 ． 4 n Ⅱ n ， 充填采矿法 1 号充填 体 为6 4 ． 9 ff ff n ， 充填法使围岩最大位移值降低 6 1 ％， 非充填采矿法在地表引起的最大下沉值为 1 2 0 ． 2 ff ff n ， 而采用充填法 1号充填体 ， 地表最大下沉值减少到 9 3 ． 4 n ax n ， 减少幅度为 2 2 ． 3 ％。这是从 一1 5 0 m中段才 开始充填计算出来的结果， 若从一开始就进行充填， 地 表下沉减小的幅度将要大得多。 4 ． 3 围岩塑性区范围的变化过程 由于充填从 一1 5 0 m中段 开始 ， 上部未充填的采 空区对塑性区的分布仍然有一定的影响， 随着开采深 度的增加， 塑性区的范 围也呈增大的趋势。但采 用 1 号充填体充填后 ， 各个开采阶段 的塑性区范围都有较 大幅度的下降， 特别是当 一2 7 0 m中段开采并充填后 ， 塑性区无论沿矿体走 向还是在垂直高度方向， 都 不再 是沿整个采空区范围分布 ， 而是呈零星的较小范围的 分布 ， 这对围岩的稳定性是极其有利的。 4 ． 4 充填材料的比较选择 计算结果表明， 采用 1 号充填体充填效果明显， 无 论是围岩应力分布状态 、 塑性区分布范围 、 围岩位移和 地表下沉量均得到明显改善。而采用 2 、 3 号充填体则 对围岩应力 、 位移和塑性区分布状态， 与不充填相比均 无明显改变。如从 一1 5 0 m中段开始采用 2号充填体 充填， 到一 2 7 0 m中段开采完毕， 充填与不充填相比， 围岩 最 大 应 力、 位 移 、 地 表 最 大 下 沉 只分 别 减 少 9 ． 9 ％、 1 1 ． 4 ％和 8 ． 2 ％； 若采用 3号充填体 ， 三者 的下 降数值分别为 5 ． 3 ％、 5 ． 4 ％和 1 ． 6 ％。可见 ， 采用 2号 和 3号充填体充填效果不明显。故建议玲珑金矿深部 开采时采用的充填料应具有一定 的强度， 其弹性模量 应与 1 号充填体接近。 5 结 论 玲珑金矿深部矿床若继续采用 空场法开采 ， 在采 空 区的上部和下部矿体 以及围岩中将出现很大的应力 集中， 特别是底部矿体中的高应力集中、 采空区中部围 岩中的拉应力区和采空区周围形成的塑性 区将对回采 带来很大困难 ， 采空区的稳定性和安全生产将会遇到 严重威胁。为此 ， 建议在开采 深度超过 一1 9 0 m水平 后 ， 需采用充填法开采， 且充填体必须具有一定 的强 度， 其弹性模量值应与 1 号充填体相近。 参考文献 【 I 北京科技大学． 山东省玲珑金矿见 玲琏金矿探部岩石力学与 开采方法综台研究． 1 9 9 9 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f De e p M i n i n g o f Li n g l o n g Go l d M i n e Us i n g 3 D Fi n i t e El e me n t M e t h o d C AI Me i f e n g ，WA NG S h u a n g - h o n g C o ／／ e g e o f R e s o tw ， B e ／n g U n i r s i．J y of S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y ， ＆ 1 0 0 0 8 3 ，C ／ u n a Ab s 岫． c t D u e t o d e e p mi n i n g ，L i n g l o n g G o l d Mi n e s g e o ] o e a l e n v i mmnen t a n d o r e l x l y o o c u 肿 n o e a 工 e g t t i ng w U r s e a n d w o r s e ，a n d i t s u n d e r g r o u n d s i s p rog r e s s i v e l y i ner e s i n g ，t h u s r e s u l t i n g i n a r t o b v i o u s i n c r e a s e i n u l l d e r 譬 u t l d p r e s s u r e ． T h i s p a p e rana l y s e s s y s t e a a t i c a l l ythefl u c t u a ti ng r e g u l a r i ty o f u n d e r g r o u n d p r e s s u r e a n dthe s t a b i l i t y o f roc k w a l l d u ri ng d e e D n i I 】 g u s i ng n o n - l i n e a r 3一D mi t e de me n t me t h o d． I nl l g h t o ft h e e x i s t i n g p r o b l e ms o fmi n i ng me t h o d，the a u tho r s h a v e e c L u v e s u g g t k msf 。 r e b bi ng d e e p e x c a , a t i ou r net h Ms o f L i n e , l o n gGo l dMi n e ． Ke y’ r g o l d mi l l e ；d e 印 mi n i n g ；s t a b i l i t y ． a n a l y s i s ；o p timi z a t i o n o f mi n i n g m 维普资讯