红透山铜矿深部矿体采矿方法的数值模拟研究.pdf

红透 山铜矿深部矿体采矿 方法的数值模拟研究 东北工 学脘张国联解世俊 摄 曩 本文应用有限元和边界元耦台盱方法，研究了红透山钶矿深鄙矿体嗣后充填 阶 段 矿 房{ 击的 二步 回采过程 中的力 学鼓应 。既论证 了谈矿改 用这 种采矿 方 法在拄 市上的 可行性 ，也 提 出了深部 回采时 台理的 回采顺 序 和稳妥 的回采方 案 。 一、 前言 红透 山铜矿是年产4 0 5 0 万吨 的中型 有 色金 属矿山。深部主要矿体 采 深 已 超过 8 0 0 米走 向短、延深 长、急倾 斜、 厚度大 ， 矿 岩稳 固。长期以来，该矿使用 了两种采 矿 方法留矿法和充填法。留矿法的不安垒性 和充填法 的低 效率 ，培 矿 山生产带来 了许 多 匿难 。经研究确定采 用步 回采 嗣后充填 的 阶段矿房法 。一步矿房 用阶段矿房 法回采后 及时进行块石胶结充填 根据胶结充填体强 度和允许的暴露面积，二步矿房可用阶段矿 房法或充填法回采。 针对该 采矿 方法回采的条件，采 用了有 限 元 与 边 界 元 耦 台 的 方 法， 编 制 了 F ORTRAN 程 序 ， 进行 了模拟计算与 分析 ， 为 该矿生产提供理论 依据 。 二 、模型 及模 拟方 法 1 ．模型 。本 文模拟 了一4 6 7 米、一5 8 7 米、 --7 0 7 米三种采 澡下 三步回采 的 九 个回 采过 程。一步矿房 宽取 l O 米、步矿房为l 6 米。模拟 回采过程如 图 I所示。 2 ．模型 材料特性。模型 材料 特性取 自 该矿和类似矿山的资料 见附表 。 3 ．荷载信息 。根 据应力量测结 果， 垂 直 应力为重 力应力场，水平应 力为垂 直应力 的0． 5 3 倍。 考虑 应力集中影响以后的实际计 算应 力分 别为 口 v 一4 6 7 米 1 3． 7 l 兆 帕 口 一5 8 7 米 1 5 ． 7 3 兆帕 口v 一7 0 7 米1 7 ． 7 5 兆帕 1 2 3 囤t 回采过程的模拟 1回采 一步矿 房A- 、A。 ，A。 2回采 二步矿房Bt ￡回采二步 矿房B 材料特性袭 附袭 抗拉 强度 抗 压强度 岩 性 泊松 比 兆帕 内摩擦角 吨／ 米’ C 兆帕 兆帕 弹 性 蕞 置 由聚杰C 比 重 兆帕 矿体 4 ． 8 6x 1 o o ． 2 0 1 4 ． 4 7 4 5 3 3 s o 6 ． 3 9 8 ． o 片麻岩 5 ． o o x1 o ‘ o ． 4 1 6． 3 4 5 8 0 0 2 8 o 7 ． 3 5 1 1 1 ． 8 0 二步 充填件 3 ． 0 61 o 。 o ． 2 0 o ． 3 6 3 0 。 0 o 2 ． o D n - 5 1 0． 7 o 一 步 充填 体 1 ． 5 Ox1 o o ． 2 0 o 5 1 { 。 3 o 2 5 0 o ． 5 1 2． 4 3 维普资讯 ． j 盘． 1 7 H 一4 6 7 米 7 ． 2 6 兆帕 口 一5 8 7 米 8 ． 3 4 兆帕 口 一7 0 7 米 g ． 4 l 兆帕 4 ．假设 条件 及数值方法。为研究 方便 对模型介质 做了静 态、平面应变、理想 弹塑 性 、均质各向 同性 的假设 ；变形 特性做 了位 移与时 间无 关、塑性 区变形屈 服 准 刚 采用 Dr u e k e r P r a g e r 准则 的假 设。 数值 模拟 采 用有限 元与边 界元耦台的方 法， 并 进 行 了 FORTRAN编程 。程 序在 S i me n s 一 7 ． 5 7 C机 上 运行 ，运 算结 果在Ca l c o mp 绘图仪上输 出 图形。 输出图形 分为 四类 1采场周边位 移和耦台边 界的位移 曲线 图； 2x 方向应 力等值线图； 3Y 方向应力 等 值 线 圈； ‘ c 垂直 应 力等值 线 。 一 圈 24 6 7 m水平一步矿 房 A 、 4主 应力图。 三 、模拟 结 果分析 --一步矿房A 、A 、A。 回采后结 果分 析 1 ．顶 板变形特征及阶段矿柱受 力一 步矿 房A 、A 、A 回采后，顶板的累计变 形总体上是 向上 的。如图2 a 曲线 ② 有 四 个转折点A、B 、c、D， 其 变 形 值 分 别为 u 1 0 ． 2 5 毫米 ， u l { u c1 5 ． 0 0 毫米，11 D l 0 ． 2 5 毫米 。 这种变形 的不 均匀性，使矿柱 如 同变截 面梁一样 ，在 截面变化 的 点 A、B、 C、D处产生应力集 中。由图 2 b 可 以 看 d 主应力 图。 A 、A 回采后数值模拟 结果。 维普资讯 1 3 出， 阶段矿桂中存在五个集中点 ， 两个外上角 的水平 应力集 中最大 ⋯ K 3 ． 3 ， 中间 A 顶 板应 力集中其次，K 3 ． 0 ；两侧A 、A。 的内上角处最小，K 2 ． 4 ，而A 、A。 的 外上 角则无 应力集中。阶段矿桂 的垂 直应 力 如 图2 c ，可以看到 无应力集中点，应 力集 中系数为0 ～0 ． 6 之间，因此阶段矿柱垂 直方 向主要起 承托 上阶段充填体的作 用。 由图2 d 可 以看 出， 第一步回采之后 ， 端部矿房 A 和 A。 顶部 的主应 力 向 二 步矿房 B ， 和B 倾斜，说明剪应力较大， r 一 1 7 ． 4 兆帕。它对 一步矿房上部的采准 巷道 稳定性 影 响较 大。 因此 ，用嗣后 块石胶结充填 的阶陉 矿房 B 采场和耦台边界位移 法回采时，阶段矿柱中受力复杂，对其中采 准 巷道 的稳定不利 。 2 ．阃柱B。 和B 二步矿 房 的 受力 特征由图2 b 可看 出B 和B 水平应 力 趋 于 0 。 由图2 c 看 出B 和Bz 的垂 直应力集 中系 数K 0 ． 6 ～1 ． 2 ，最大应 力集 中点 发 生在 B 和B 的外上角隅处，其 集 中 系数 K ， 1 ． 2 。而B 和B 的两 个内上角隅刚是 O - ， 的降 低 区， K ， O ． 2 。 一 步 矿房 回采之后， 二步矿房 B 和 B 的应力很小，这是 由于 二步回采去掉 了 自然 矿桂、消除 了应 力集中的缘 故，因而对避免 岩爆的发生是 有利 的。 3 ．矿壁 的受 力特 征。在一步矿房A 和 c 垂直应力等值臻 d 主应力图 嘲 8 步矿房B 回采的 数值 } I 【 结暴 维普资讯 1 4 A 的侧壁上，由图2 d 可以 明 显 地看到 分 布 有深 度 为 1 0 ～ l 5 米 的 水 平 应 力 降 低 区。这种水平 应力的骤然消 失， 使侧甓 由原 来三 向受 力变 为单 向受 力，其垂 直应力集 中 系数K。 1 ． 5 。该 卸载 区的存 在， 对 地下 采 矿有一定影响，如 由于某些 偶然 因素诱发 的局 部片落。 因此在进行 爆破设计 时要 考虑 震动影响。 二二步矿房B 回采 的 模 拟 结果分 折二步矿房B 回 采后 的位 移、 应 力 等值 线 、主 应力线如图 3所示。 由图3 a 和2 a 对 比发现耦台边 界处 的位移 随着B 的 回采 未有 大的 改 变。 这 是 由于B 回采之前A 、A z 、A。 已进行块 石胶 结充 填，阻止 了围岩 的继 续变形 。 当B， 回采之后， 由图3 a 可 以看出A 充填体顶部左角下沉约为6 ～7 毫米，而右角 没有继续下沉 。因此 ，Az 顶 部总 的 变 形 效 果是向右弯，这正是应 力转移 的 印证 。 阶段矿柱 上的受 力可见 图3 b 、3 c ， 原来 在A。 顶部 的应力集 中点 向 B 方 向转 移， 应力集 中系数 由原 来K 3 ． 0增 加 到 K 。 3 ． 3 ， 增加 1 0 B 左 上角处的 K 由 原 来的 0 ． 2增加 到0 ． 6 。 ． B z 左下角处 的K ， 由原 来1 ． 0 增加到I ． 2 见图3 c 。Bt 中问部 分 仍然趋于0 ，但 是 的集 中系数则由原来 的 平 均 值 K 0 ． 7 增加到 0 ． 9 ，增加3 0 因此 ，二步矿房 B 回采后，B 中间受 力 增大3 O ，顶桂 受力复杂 觅 图 3 d ，从 而 给 B 回采增加 一定困难 三回采二步矿房B。 的模 拟 结 果 分 析B 回采之后 的变形 、应力结果如 图 4所 示 。 由图4 a 发现矿体的变形 比 较 对 称 ， 这 是 由于 B 回采 后结构趋于对 称的缘故。耦 台边 界的儡I 向变形 觅图4 a 中曲线① 比 B z 回采之前 小，这说 明充填体对侧壁 存在 一 个挤压 力。充填体 A 上部 向左侧 弯 曲，这是 非对称 回采造成的。 由图4 、 b 看 出顶板 A、B、C、D 变形 均匀，使阶段矿柱的水平 应 力 集 中减 小， 集中点分布对 称均匀 应 力 集 中 系数 K 1 ． 5 ～2 ． 3 之间。由 图4 c 看出阶段矿 桂 中无垂直 应力集 中现象，也就是垂直 应力 主要 由两侧 矿体 承担 。矿房A A 的 侧壁 水平应 力比 开 挖 前 略 增 加 见 图 4 b d ， 这是由于竞填体对围岩侧向挤压的结 果 。 由图4 d 看到 左侧 块石肢结充填 体A 右上 角出现局部屈服 ，这是 由于它受 的剪 应 力大。其顶部矿 石 单 元 剪 应 力 ⋯ l 8 ． 1 兆帕 。但 此屈 服点是在B 矿房 开 采 完 并 已 充填 的条件下，开挖B 矿房时 出现 的，屈服 点靠近 二步 充填体 。因此 对整体稳定性无 大 影 响 。 ’ 总 之，Bz 回采后，结 构趋于_埘称 ，使 采 场周 围应力分布均 匀， 集 中程度下降 。 四对 回采顺 序的分折由 二和 三 分析 可以看出 1 ．B 回采后 ， 原 来作 用到B 上的应 力 约 有3 0 ％作用刊B 上 ，而 且使B z 顶 柱 的应 力变得 复杂 ，从而增加 了B 的回采难度 。 2 ．Bt 回采 后，在 A 角 部 出 现 了塑 性 区 ， 而 A 与之相对应 的角则没 有塑性 区， 显然该塑性 区的 出现是 由于非 对称 回采造成 的 。 3 ．中间充填体 A 在 B 回采 之前 由图 2 a 可以看 出是 极其对称的 。 B 回采之后 ， A 上 部先 向右 弯 见 图3 a ， B 回采之后A 上部又 向左 弯 见图4 a 。充填 体 强度不 高，经不起左右摇摆，因此这种采矿顺序是 不 合 理 的 。 综上分析 ，深 部开采顺序应力求 由矿体 中问向两端对稚回采，围岩和矿桂受力条件 就要好得多 。 五对充填体 作用的分析 1 ． 1 限制变形的作用。图2 a ， 图3 a 、 维普资讯 1 5 c 垂直 应力 等值线 。 b 水 平应力 等信线 。 d 主 应力 图。 圈 4 - 二 步矿 房B 回采 的数值模 拟结果。 图4 a 是三 步开挖后采场周边位移 曲 线和 耦合边 界的变形 曲线 。 第一 步 回 采 时， 图 2 a 中曲线①的u 4 ． 6 5 毫米 ， u 6 ． 7 毫米 ，耦合边界 向已充填 的采场变形 比向来 充填的采场变形低3 o “／ ． 。第二步 回采肘， 图 3 a 中曲线① 同图2 a 相比变化 很 小，这 是 由于 B z 尚未回采，充填体几乎 不 承受 多 大荷 载的缘故 。第三步 回采 时， 图 4 a 中 曲线 ①发生 了质 的变化 ，u 4． 9 5 毫米 ， u 5 ． 0 5 毫米 ， 比前 一步开挖 时降 低2 0 。 这是 由于 B 回采，充填体承受 一 定 压力侧 挤矿壁 所致 。 另外，在三步 回采 中， 从 图 2 a ，图 3 a 、图4 a 中曲线变化不大这 一 点亦 说 明充填体 阻 止了围岩的继续变形 。 综上所述，充填体能 有效地限制采场 围 岩向采场变形，尤其是充填体的侧限变形作 用更加 明显 。 2．充填体 的承 载作 用。块石 肢结 充填 体上部矿体 的垂 直应力与尾砂充填体上部矿 体的垂 直应力不 同。如图2 d 、图3 0 、 图 4 0 块石肢结 充填体 上部矿体的垂直应 力平 均为c r 4 ． 5 兆帕，尾砂充填体 上都 则 0 ． 4 5 兆帕，差一个数量级。可见刚性充填体 能承受 的荷 载比柔性 充填体大 。但 充填体 的 承载作 用是 以密实接 顶为前提 的，因此 ，充 填体实际荷载要根据 接顶 情况确定 。 六不同深度摸拟回来的结果分析 维普资讯 1 6 这里 模拟 了三 种 采 深， 即 8 0 0 米，9 2 0 米， ] 0 4 0 米，对应三 个不同的水平 ， 即--4 6 7 米 ， 一 5 8 7 米 ， --7 0 7 米 水 平 。 从绘 制的位移 、 应力等值线 、主应 力线 可 看 出，随着采矿深度 增加，应力和位移 分布规律是完垒一致 的。但是 由于深部 原岩 应力大 ， 所 以 同样 的集中区域 ， 虽然集 中系数 相 同，但实际应 力却随 着深 度增加而 增加 。 因此，三步回采之后充填 体的塑性 区随深 度 增加 而增大，见 图2 d 、 图3 d 、 图4 d 。尤 其 一7 0 7 米水平，回采 后充填 体 A 塑性区是 垒 宽度贯通 的。因此对红 透 山矿在块石 胶结 充填体刚 度为1 ． 4 x 1 D 兆帕， 强 度 为 2 、 4 3 兆帕的前提下进行 一5 8 7 米， 一7 0 7 米水平 的 开 采时，充填体不 能保证足 够 的 稳 定， 因 此 ，在 一4 6 7 米水平 以下 回采二步矿 房 用分 层充填 法是 比较稳妥 的方案。 四 、 结 论 纵 现各 方案的回采过程 的力学效应， 用 步回采嗣后充填的阶 段矿房法 回采时，采 场周 围无塑性 区出现， 应力集 中系数 不高， 从理论上证明 了两步 回采 嗣后 充填 的阶 段矿 房 法回采深部矿体是可行 的。 一 步矿房 回采没有造成二步矿房 大的应 力集 中，从 而减 小了岩 爆发生的可能性 。影 响步 矿房 回采 的主要 因素是 一步矿房 中充 填体 的强度。 非对称 回采引起的应力转移给回 采带来 诸 多困难， 因此 合理 的回采顺序应该是从矿 体 中央 向两端对称 回采 。 栗深的增加 引起 了矿 岩 中的应力增加， 给 回采带来 了困难 。一 步矿房 的侧壁单 向应 力增加，二步回采时充填体塑性区增大。因 此在深部 二步 回采的稳妥方案 是 分 层 充填 法 。 块石胶结 充填体 的作 用主要表 现为限制 圈岩变形，尤其是侧限变形 。计 算结 果表 明 充填 体具有一定的承载能 力，但实 际上充填 体 的承 载作 用要根据充填体 的 接 顶 情 况 来 定 。 阶段 矿柱 中受力状态非 常复杂 ，水平方 向 上受 力最大，集 中程 度最高 。垂 直方 向上 主要起承托上阶段充填体作用，而且在一步 回采时端部剪应力很大，因此阶段矿柱 中一 些采准巷道维 护相 当困难 。为 避 免 这 一 问 题，可以取消阶段矿桂 ，代 之以 混凝土人工 阶段矿柱 。这 样一方 面能消除 应力集 中，另 一 方 面能多回收矿石，技术 上合理 ，经 济上 有 利。 采矿不忘找矿 科研喜结硕果 麻 阳铜矿 新增矿石 储 量7 5 万吨 湖南麻阳铜矿积极开展成矿富集规律的研究， 井利用研究成果指导探边扫盲，取得了丰硕成果 2 0 年来新增加矿石储量7 5 万吨 ，台 铜 金 属 量 9千 吨 麻 阳铜 矿 自建矿 以来 ， 坚持 采矿 找矿 并重 的原 贝_J ， 把扩 大远 景储 最 ，延 长矿 山寿 命 的工作 摆在 与 生产同等重要的位置，在进行生产建设的同时，积 极组 织开 展成 矿理 论的研 究 。专门 成立 了科研 小组 进行攻关，还与科研单位和大专院校共同就有关问 髓进行探讨a 2 0 余年来，在矿繇层研究，构造控矿 和铜元素再造富集主控因素的研究方面，取得了突 破性的进展。提出了该矿新华夏断裂构造体系的次 生断裂构造，是铜元素再造富集的主控因素的新观 点， 总结 出矿 体在 总体 上呈北西 向铡 侠和 北 东、北 北东向富篡的规律。根据这个理论，现已在谈地区 新探明了 7个矿体 ，l 2 个矿块4 O 余万吨矿石储量， 古铜金属量4 8 0 0 吨。据已掌握的资科来看，该区深 部前景仍然可观。 摩阳■矿睾意瀵 维普资讯