深部开采围岩应力及变形数值模拟研究.pdf

S e r i e s No ． 43 0 April 2 01 2 金 属 矽 山 MET A L MI NE 总 第4 3 0期 2 0 1 2 年第4期 深部 开采围岩应力 及变形数值模拟研 究水 刘 炜 张睿冲 杨瑞霞 广西大学资源与冶金学院 摘要随着矿山开采向深部转移， 出现的地压问题也日益增多， 主要表现为冒顶、 片帮及岩爆等。针对出现 的这类问题 ， 特别是深埋矿体开采过程中的应力变形， 利用 F L A C 如程序对实际开采过程进行了模拟， 对其应力场 及位移场进行分析。模拟结果表明巷道两帮水平变形主要是由垂直应力作用造成的侧向膨胀， 而巷道顶底板的垂 直变形则主要是水平应力在垂直方向造成的挤压变形。研究结果为巷道支护方案提供了依据 ． 关键 词 围岩应 力 变形 深部开采 Nume r i c a l Si m ul at i o n o n De f o r m a t i o n Di s t ribu t i o n a nd S t r e s s Di s t rib u t i o n o f De e p S u r r o u n d i n g Ro c k Ma s s Li u W e i Z ha n g Rui c ho n g Ya n g Ru i x i a C o l l e g e o fR e s o u r c e s a n d Me t a l l u r g y ， G u a n g x i U n i v e r s i t y Ab s t r a c t Wi t h e x p l o i t a t i o n o f t h e d e e p o r e b o d y ，t h e e q u e n c y o f r o o f c o l l a p s e a n d ri b f a l l a s c e n d s ．I n o r d e r t o s o l v e t h i s p r o b l e m，t h e e x c a v a t i o n p r o c e s s of t h e d e e p mi n e w a s s i mu l a t e d u s i n g F L AC ．Th e s t r e s s fi e l d a n d d i s p l a c e me n t fi e l d we r e a n a l y z e d ．T h e n u me ri c al r e s u l t s s h o w t h a t t h e h o riz o n d i s p l a c e me n t i s r e s u l t e d b y t h e v e r t i c a l s t r e s s ，a n d t h e v e rti c a l d i s p l a c e me n t i s r e s u l t e d b y t h e h o ri z o n s t r e s s ． I t p r o v i d e s t h e o r y b a s i s f o r t h e t u n n e l s u p p o rti n g d e s i g n ． Ke y wo r d s S u r r o u n d r o c k ma s s ， S t r e s s ， De f o r ma t i o n ， D e e p mi n e 巷道开挖后 ， 其 围岩就 处于复 杂的力学 环 境 中 J ， 现有的岩体力学相关理论只能近似求解某些 力学问题 ， 而且有些情况下计算结果与实际问题相 差很大。另一方面 ， 对于锚喷支护 的效果 以及参数 选择的合理性也不能做出正确的评判。数值计算可 以考虑很多影响因素并对多方案进行快速比较 ， 因 此数值模拟是解决矿山岩体力学行为的一种有效工 具。F L A C 如软件适用于模拟计算 岩土类 材料和构 筑于岩土中的工程结构在应力 一应变下的行为 ， 能 很好地解决非线性动力学分析问题 引。 1 数值模拟模型 根据本次研究的内容和力学特点 ， 建立了 3个 分段水平的采场巷道岩体力学数值计算模型。模型 选用所研究矿 山 一3 7 5 1T I 水平巷道 ， 通过F L A C 如软 件对巷道进行数值模拟。模型采用摩尔 一 库仑强度 准则 ， 岩石力学参数见表 1 。因为模 型涉 及到的巷 道数量 比较多 ， 因此在建立模型时适当做 了一些简 化 ， 没有考虑断层和围岩的各向异性。 表 1 岩体 力学参数 一称／ 一 t ／ m3 一 ／ GP a 淞比 斑状磁铁矿4 ． 1 2 2 8 ． 5 0 ． 2 8 3 ． 1 1 2 4 ． 8 2 ． 6 8 闪长岩 2 ． 6 3 2 3 ． 6 0 ． 2 2 3 ． 9 8 2 5 ． 6 8 2 ． 7 2 矽卡岩 3 ． 0 2 2 5 ． 3 0 0 ． 2 3 2 ． 5 2 2 6 ． 4 8 2 ． 1 2 花岗岩 2 ． 7 8 3 0 ． 3 2 0 ． 2 3 3 ． 4 8 2 7 ． 2 6 2 ． 6 8 本次数值模拟按照实际生产流程， 先开挖完 2 个分层的巷道， 然后 回采上层巷道 ， 上层巷道 回采完 成后 ， 再开挖下层巷道 ， 再 回采第 2分层 的巷道 ， 依 此类推。分段高度为 l 7 ． 5 I l l ， 在同一水平线上 ， 各 进路巷道宽 3 ． 9 I n ， 高 3 ． 6 5 I l l ， 进路间距 1 5 I n 。考 虑巷道开挖对边界的影 响， 模 型为 9 0 r f l 1 0 0 In 3 0 In， 巷道对称分布， 模型横断面见图1 。 模型两侧分别限制水平移动 ， 底面限制水平和 广西大学博士启动基金项 目 编号 D D 1 3 3 0 0 1 3 。 刘炜 l 9 7 5 一 ， 男， 讲师， 博士， 5 3 0 0 0 4广西壮族 自 治区南宁市。 刘 炜等 深部开采 围岩应力及 变形数值模拟研究 2 0 1 2年第 4期 芝 倒 罨 回采距离 ， m 图 1 3 巷道 顶板应 力变化曲线 ◆ 一水平应力 ； ▲ 一垂直应力 回采距离 ／ m 图 l 4 巷道两帮应力变化 曲线 ▲ 一水平应力 一垂直应力 回采距离 ／ ra 图 1 5 巷道底板应力变化 曲线 ◆ 一水平应力 ； ▲ 一 垂直应 力 由此可以推断 ， 巷道两帮水平变形主要是 由垂 直应力作用造成的侧 向膨胀 ， 而巷道顶底板 的垂直 变形则主要 是水平应力在垂直方 向造成 的挤压变 形 。 3 结论 1 上分层巷道开挖完成后， 水平方向的应力 在巷道上下形成应力集中区， 其中， 在巷道顶板上部 矿体部位 ， 最大的水平应力为初始值的 1 ． 5倍 ， 应力 集中区比较小， 距离顶板比较近； 巷道底板下部的应 力集中区厚为 4～6 m， 集 中面积较大 ， 是初始值 的 1 ． 6倍 。垂直方 向的应力在巷道两边形成应力集 中 区， 其中相邻巷道之间的应力集中程度更高 ， 最大值 为初始竖直应力的 1 ． 2～1 ． 5倍 。 2 巷道围岩应力沿 回采方 向变化规律 ①巷 道两帮和顶底板矿岩体应力沿走向在回采期间均逐 渐升高直至峰值 ， 随后迅速降低， 但峰值大小不等； ②回采期间巷道两帮岩体垂直应力大于水平应力； ③回采期间巷道顶底板矿岩体水平应力大于其垂直 应力。 3 巷道两帮水平变形主要是 由垂直应力作用 造成的侧向膨胀 ， 而巷道顶底板 的垂直变形则 主要 是水平应力在垂直方向造成 的挤压变形。 参考文献 [ 1 ] 刘炜， 陈勇． 深埋矿体开采顺序浅探[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 9 7 2 0 - 2 3 ． [ 2 ] 陶连金， 王泳嘉， 张倬元， 等． 大倾角煤层开采矿山压力显现及 其控制 [ M] ． 成都 四川科 学计算 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 3 ] 李 晓霖． 地铁诱发振 动对地 面以及地上结 构 的影 响规律研 究 [ D] ． 北京 北京工业大学 ， 2 0 0 3 ． ． 收稿 日期2 0 1 2 - 0 1 一 l 1 信 息苑 2 0 1 2年矿业并购交易或将破纪录 由于发展中国家的资源需求持续上升， 矿产业的 支撑活动。今年到 目前为止 ， 英 国 一 瑞 士矿产集 团 合并和收购交易今年有望达到破纪录的水平。普华X s t r a t a P L C和商 品 贸易 巨擘 G l e n c o r e I n t e rna t i o n a l 永道会计师事务所 P w C 在最近的报告中说， 由于矿P L C已经宣布合并交易， 创建全球第四大自 然资源集 产公司与钢铁制造商、 其他行业参 与者 、 金融投资者 团。经过合并的公司将被称为 G l e n c o r e X s t r a t a ， 总市 竞争交易， 包括政府财富基金、 退休基金和私人证券 值将为 9 0 0亿元。P w C说， 如果 G l e n c o r e 和 X s t r a ta 公司等， P w C预计， 2 0 1 2年矿产业交易的竞争会相当 提出的相当于9 0 0 亿元的合并案得到批准， 它将成为 激烈。报告称， 伴随着 1 0 5 0 亿元现金、 新项目的潜在 史上最大的矿产交易。报告指出， 2 0 1 1 年合并和收购 需求、 制造成本上升、 发达国家储备下降， 矿产商要寻 交易的总透露价值为 1 4 9 0 亿元， 比2 0 1 0年增长 1 ／ 求 目 标创造规模和获得成本效益。报告称 全世界快 3 ， 平均交易价值也从上年的7 0 0 0万元升至 1 ． 0 5 亿 速工业化的国家对基本金属和贵金属的持续需求会 元。 矿业 1 1 4网