金阳公路下赋矿体开采方法的有限元法优选.pdf

第 1 卷第 6 期 2 0 0 5年 1 2月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 C h i n e s e J o u rnal o fU n d e r g r o u n d S p a c e a n d E n g i n e e ri n g V0 1 ． 1 De e ． 2 0 0 5 文章编号 1 6 7 3 ． 0 8 3 6 2 0 0 5 0 6 ． 0 9 1 2 - 0 3 金阳公路下赋矿体开采方法的有限元法优选 姚金蕊 ，周 子龙2 ，宋友红2 1 ． 贵州开磷集团， 贵阳5 5 0 3 0 0 ； 2 ． 中南大学资源与安全工程学院， 长沙4 1 0 0 8 3 摘要 为了对金阳公路下赋矿体开采的三种采矿方法进行优选， 利用三维有限元方法， 采用体积能量释放率作为指标， 最终确定中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法为最优采矿方案。 关键词 采矿方法 有限元 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 ； T B l l 5 文献标识码 A Th e Op t i mi z a t i o n o f t h e Mh l h l g Me t h o d f o r t h e Or e b o d y Un d e r J i n y a n g R o a d w i th F E M Y A O J in ． r u i 。 Z H O U Z i ． 1 o n g I ， S O N G Y o u h o C 1 ．／ z h o u K a ／ ／ ／ n G r o u p，G u ／ y a n g 5 5 0 3 0 0 P． R． h ／ n a ； 2 ． S c h o o l R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g ／ n e e r ／ n g，C e n t r a ／ s D u , a , e r y ， 伽 n 4 1 0 0 8 3 P． R． h ／ n a A 缸_a c ‘ I n o r d e r t O g e t t h e o p t i ma l mi n i ng me t h o d f o r t h e O re b c d y u n d e r J i n y 肌g r o a d，a n u me r i c a l s i mu l a ti o n W S B c a r r i e d o u t for t h e s u g g e s t e d t h r e e m i n i n g m e th o d s w i th fi n i t e ol e me n t thod{ ．U s in g t h e i n d e x of v o l u m i n a l e n e r g y r d e a s em t e ， fi n a l l y ， the 喊m e t h odw i thln u m d p th b o r e e a r i ngf o l l o w e d b y c e me n t e d皿 i s d e t e r m i n e dt O b e the o p - t i ma l O ne ． Ke y wo r d s ,．mi I l i I 1g me thod ；F E M 1 前 言 金阳公路为贵州开磷集团用沙坝矿的主要交 通要道之一， 鉴于维护公路不致破坏的需要 ， 其下 压矿量达 2 2 6 2 万吨， 占该矿总矿量的近 5 0 ％， 如果 暂停不采， 将直接影响到矿山的存活， 同时还会导 致用沙坝矿区整个矿体开采的不平衡， 带来相应的 地压与生产方面的问题， 因此矿方目前唯一的出路 就是如何在控制公路地表变形的前提下安全高效 地回收公路下矿体。受矿山前期试采和民采的影 响， 公路附近坡面已于 1 9 9 5 年 8 月 1 9 9 6 年 9 月 期间出现数条长达 2 0 0 m、 宽度有 2 5 m的裂缝， 给该矿段的进一步开采敲响了警钟， 为此， 矿方亟 需找到一种新的高效、 安全的方法进行开采⋯。 矿方于 2 0 0 2年开始与中南大学展开广泛合 作， 对用沙坝矿区进行了详细的调研， 并确定了三 种适合金阳公路下赋矿体开采的采矿方法 】 。 随着计算机技术的高速发展及大型数值模拟 软件的出现， 虚拟制造、 仿真营销、 虚拟实景系统、 军事作战模拟等不断地冲击着传统行业的各各领 域。传统采矿方法的选择， 需要大量现场试验才能 知道好坏， 而实际的采矿中， 任何的投入都将不可 挽回的， 现场耗费大量的人力物力却常常得不到满 意的结果； 采用数值模拟优选方法， 则只需要数值 软件的支持， 并可在数天内完成大量方法的比较， 方便快捷 J 。本文即利用大型有限元软件对适合 于用沙坝矿的三种采矿方法进行数值模拟 ， 做出优 化选择。 2 岩性参数和提出的采矿方法 2 ． 1 岩石力学试验与计算参数的获得 金阳公路下赋矿段代表性的矿岩主要有 分布 收稿日期 2 0 0 5 ． 0 8 - o 5 { 修改稿 作者简介 姚金蕊 1 9 6 ， 男 ， 开磷集团矿业公司副总经理 ， 总工程师， 从事矿山开采与经营管理。 维普资讯 2 0 0 5 年第 6 期 姚金蕊， 等 金阳公路下赋矿体开采方法的有限元法优选 9 1 3 于矿体上盘的白云岩， 下盘的砂页岩和矿石磷矿 岩。从现场分别取白云岩 1 8 块、 磷矿岩 1 8 块、 砂 页岩 3 6 块进行岩石抗压、 抗拉、 抗剪常规试验， 试 验在 I N S T R O N 1 3 4 6上进行， 试样规格为长 宽 高 2 0 0 m m 2 0 0 m m 2 0 0 m m 5 0 0 m m 3 0 0 m m 3 0 0m m不等 。 实验测试的岩石力学参数在应用到工程岩体 时往往须要进行工程折减， 根据用沙坝矿岩体埋藏 状况， 选取如表 1 所示的折减系数。折减后的岩体 参数如表 2 所示， 其中充填体参数为采后充填所用 充填体所做的试样在 I N S T R O N 1 3 4 6 上所做常规试 验得到的数据经表 1 相同的折减后所得的结果。 表 1 力学参数折减系数表 Ta b l e 1 Th e r e d u c ti o n f a c t o r o ft h e p a r a me t e r 表 2 数值模拟用材料力学参数 Ta b l e 2 Th e n t e r i a i 咖| e u s e df o r, i m| ] l a t l o n 2 ． 2 三种采矿方法 根据金阳公路下压矿体埋藏条件及用沙坝矿 的整体地质构造特点， 在中南大学专家组的协助 下， 特选定三种采矿方法作为金阳公路下压矿体的 开采方案。 1 中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法， 盘区尺 寸4 0 o 1T I 4 8 1T I ， 分段高度 8 1T I ， 从盘区的两端向中 央后退式回采 ， 采场长度 1 0 1T I 1 4 m， 可根据矿岩 稳定性适当调整采矿步距。采场与采场之间留4 1T I 间柱， 中深孔落矿， 采空区用磷石膏或磷石膏与废 石混合充填， 如图 1 。 ] ～ 一 ； ￡ * 商 l拜 m ％ f ] ／ j _ r i． 柑毫 -别 1 l； 5 j 轴 毒 。 ⋯ 。 -主 堆 1 j ∞ iI／ 谁专■ l卫__ _ 蠢疆 皇■ 】 g 衄”l 臂 卑J瓤‘ 图 1 中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法 ．1 - n le峨m e t h o d w i t h n d i u n l d e p t h b o r e哪r i I l g f o l l o w e d b y c e me n t e d fi l l 2 斜壁矿柱中深孔落矿嗣后胶结充填采矿 法， 盘区尺寸 4 0 0 m 4 8 m， 分段高度为 1 2 m ， 采场 长度 1 0 m 1 4 m， 可根据矿岩稳定性进行调整， 采 场布置如图2 。 图2 斜壁矿柱中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法 Hg． 2 T h e mi n i n g m e t h o d o f me d i u m d e p t h b o r e c a I l e a v i n g o b l i q u e p i l l a r s f o l l o w e d b y c e me n t e d fi l l 3 房柱式中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法， 盘区尺寸为 4 0 0 m 5 0 m， 分段高度 l 1 ． 5 m ， 采场长 度 1 2 m一1 6 m ， 采场间留4 m间柱布置如图3 。 3 采矿方法的有限元模拟与优选 3 ． 1 采矿方法的有限元模拟 依据用沙坝矿段地质勘探线资料和金阳公路 矿段地质地形资料， 建立如图 4 所示的实体模型， 模型长 4 0 0 m ， 宽 1 8 0 m， 整个模型从底部到顶部的 竖向高度为 3 5 0 m 。在不影响计算精度的同时， 为 减小建模工作量和节省分网、 运行时间等方面的计 算成本， 对山顶坡面部分进行了平面化简化。作为 维普资讯 9 1 4 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷 图3 房柱式中深孔落矿嗣后胶结充填采矿法 F i g 3 T h e r o o m a n d p i l l a r mi n i n g me t h o d璐i I l n l l i n d e p t h b o r e f o l l o w e d b y c e me n t e d f d l 对采矿方法的比较， 只进行一个采场的分段开采模 拟， 模拟采场距地表 2 0 0多米， 可以认为公路所在 坡面处的位移量代表了路面的位移量。 图 4 有限元模拟实体模型 F i g ． 4 T h e s o li d mo d e l f o r t h e F E M s i mu l a ti o n 模型采用 8节点实体单元， 材料本构采用 D r u c k e r P r a g e r 屈服准则的弹塑性模型， 对 2 ． 2中 提到的三种采矿方法依次进行数值模拟， 模拟采用 分段分步的方法， 逐分段进行， 同分段按采矿方法 特点从两端到中央或从中央向两端依次回采。图 5 给出了采矿方案一回采结束未充填时的应力云 图， 图6 给出了方案一充填后整个模型的下沉位移 图。 3 ． 2 基于体积能量释放率的采矿方法优选 在三维有限元模拟中采用体积能量释放率这 一 力学状态效应指标， 综合考虑应力及位移有关的 因变量， 不局限于某一特定点或特定部位的力学状 态， 能够从总体上对三种方案进行评价及对采场的 回采进行优化选择。图 7 给出了三种采矿方案在 不同回采阶段的能量释放率变化情况。 由图上可以看出 三种方案能量释放的变化 规律大致相同， 其共同特点是开采初期能量释放率 较小， 后期增长加快， 这是回采后期采场稳定性变 差的表现。对比三个方案的能量释放率可知， 方案 一 能量释放率比其它两个方案都要小， 是最优方 图 5 方案一采后应力分布图 F i g ． 5 T h e s tr e s s p l o t o f t h e mo d e l a f t e r e x c a v a t i o n t h efi r s tmi n i ng me t h od -6 ． ． O t l J I -D - ． ． I ． 7 8 6 S -． 1 7 R 6 E ， 图 6 方案一充填后整个模型下沉位移图 F i g ． 6 Th e s u b s i d e n c e p l o t o ft h e mo d e l w i t h c e me n t e d 皿 b y t h e fi r s t mi ning me t h od 图7 三种采矿方案回采过程能量释放率对比图 F i g ． 7 T h e e n e r g y re l e a s e r a t e o f t h e t h r e e蛐m e t h o d s 案。同时， 记录坡面金阳公路区最大位移， 三种采 矿方案的最终下沉位移分别为 4 8 ． 5 m n l 、 5 4 ． 6 m n l 、 5 6 ． 4 m m， 这也表明第一种方案即中深孔落矿嗣后 胶结充填采矿法为最优采矿方法。 下转第 9 2 0页 维普资讯 9 2 O 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷 萌生方式【5 1 。在有较大应力集中的地方 ， 疲劳裂 纹的萌生位置具有强烈的择优性 】 。裂纹极易萌 生于有较大应力集中的充填物／ 基体界面边缘。 对于热膨胀系数大于基体的充填物 ， 在冷却过 程中， 它比基体材料收缩得快， 导致充填物与基体 脱开而形成孔洞， 造成应力应变集中而萌生疲劳裂 纹。一旦晶粒上产生晶体学裂纹， 它将扩展到邻近 的晶粒中， 此时裂纹在剪应力作用下扩展， 受充填 物与基体脱开形成孔洞增大的影响， 裂纹达到某一 长度时， 扩展受远场应力影响。按球形夹杂物的理 论分析， 裂纹易在赤道线附近与轴向约成 4 5 度角 方向的滑移带上萌生。 充填物热膨胀系数小于基体时， 在冷却过程 中， 它比周围基体收缩得慢， 造成充填物受压应力 作用， 而使充填物与基体的交界面能够传递应力， 此时充填物 自身的弹塑性将影响着疲劳裂纹的萌 生形式 1 充填物的弹性模量大于周围的基体， 在 加载过程中， 充填物将承受较大的载荷， 而易发生 自身断裂萌生疲劳裂纹。此时裂纹的扩展受局部 应力影响， 最大应力靠近充填物的极点， 此处的轴 向应力大于远场应力， 应力集中系数 k 1 ； 而赤道 上的轴向应力小于远场应力。 2 充填物的弹性模 量小于基体， 在加载过程中， 它将承受较小的载荷 而使其周围基体的应力升高， 易引发滑移带的产生 而使基体开裂萌生疲劳裂纹。此时若远场应力是 拉应力， 充填物极点附近所有的主应力均为拉应 力， 最大主应力大于远场应力， 由于充填物形状一 般不对称， 因而， 裂纹的萌生和扩展也不对称， 侧重 在充填物两极点附近应力大的一边。 5结论 充填物导致不同形式的疲劳裂纹萌生， 主要原 因是充填物与基体在弹塑性、 热性上的差异。热膨 胀系数大于基体的充填物， 裂纹易在其赤道线附近 萌生和扩展； 热膨胀系数小于基体充填物， 其 自身 的弹塑性影响着周围材料的力学行为， 裂纹易在充 填物极点附近萌生和扩展。对于岩石这种非线性 材料而言， 除界面结合力弱而导致界面开裂外， 充 填物／ 基体界面处的应力集中在加载前就 已经存 在， 在加载后更加严重， 使得充填物／ 基体界面所受 应力大于自身强度的可能性大大增加， 促使裂纹由 此处萌生， 而且在疲劳载荷作用下， 容易产生较大 的塑性应变， 引起产生小裂纹的数目相对较多， 适 合裂纹汇合的几率也大， 疲劳裂纹易在此处萌生和 扩展。 参考文献 [ 1 ] 蔡美峰主编． 岩石力学与工程[ M ] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 3 [ 2 ] 林 鹏， 唐春安 ， 黄凯珠等 ． 脆性介质中裂纹与孔洞 缺陷的分类与尺度效应 [ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 O 0 2 ， 2 1 增 2 2 2 9 6 2 3 O 0 [ 3 ] 林吉忠等 ． 金属的缺陷、 载荷与疲劳[ M ] ． 北京 中 国铁道出版社，1 9 9 3 [ 4 J N i h a r a K． ， E v a n s A． G． e t a 1 ． F r a c t u r e M e c h ．o f C e r a m ． i c s【 M] ． P l e n u m， N e wY o r k ， 1 9 8 6 [ 5 J H a l l J ． A． F a t i g u e c r a c k i n i ti a ti o n i n． 1 p h 一b e t a ti t a n i u m a l l o y s [ J ] ． I n t ． J ． F a ti gue ，1 9 9 7 ， 1 9 7 S 2 3 一 3 7 [ 6 J H u a n g H L ，H o N J ． T h e s t u d y o f f a ti gue in p o l y e r y s t a l l i n e c o p p e r u n d e r v a r i o u s s t r a i n a mp l i t u d e a t s t a g eI c r a c ki n i t l - a ti o n a n d p r o p a g a t i o n[ J J ． M a t e ri a l s S c i e n c e a n d E r - i n g ，2 O O O ，A 2 9 3 7 1 4 [ 7 ] 龚 明， 赵建华 ， 董本涵等． 含孔薄板孔边疲劳裂纹的 萌生和扩展[ J ] ． 航空学报， 2 O O 2 ， 2 3 3 2 0 22 0 5 上接第 9 1 4 页 4结 论 对适合金阳公路下赋矿体的三种采矿方法 中 深孔落矿嗣后胶结充填采矿法、 斜壁矿柱中深孔落 矿嗣后胶结充填采矿法、 房柱式中深孔落矿嗣后胶 结充填采矿法， 采用三维有限元模拟分析， 发现中 深孔落矿嗣后胶结充填采矿法为最优采矿方案。 参考文献 [ 1 ] 中南大学资源与安全工程学院， 贵州开磷集团， 公路 下复杂矿体开采综合技术研究 阶段总结报告 [ R ] ， 2 O O 4 [ 2 ] 中南大学资源与安全工程学院， 贵州开磷集团， 用沙 坝矿采矿方法设计研究报告[ R ] ． 2 O O 4 [ 3 ] 坎南 ， 董文军， 谢伟松． 有限元分析[ M] ． 北京科学出 版社 2 O 0 2 维普资讯