司家营厚大矿体矿房分步式开采结构工程分析_翟会超.pdf

司家营厚大矿体矿房分步式开采结构工程分析 翟会超胡巍巍张立国张艳芬 （河钢集团矿业公司， 河北 唐山 063000） 摘要针对司家营铁矿井下大规模开采围岩的潜在失稳性， 运用UDEC软件进行数值计算， 分析不同开采阶 段地压变化， 应力云图揭示了采场顶板岩体内应力场向有利于维护围岩稳定的拱形承载结构演化， 该结构的拱失f 和拱跨L近似相等。同时在拱脚矿体上下盘边界和拱顶风化带岩层共显现出3个高压应力区， 其中上下盘处应力 集中， 表明该部位矿房应快速组织充填。基于数值分析结果， 建立了拱形桁架结构工程体系， 并对该体系力学模型 进行了分析， 得出一、 二步矿房宽度比值， 并设计了厚大矿体的矿房宽度为20 m， 安全系数达1.96。通过数值计算 预警及理论分析优化设计， 可有效保证地下规模化开采的安全性和连续性。 关键词厚大矿体空场嗣后充填法数值模拟桁架结构围岩稳定性 中图分类号TD327文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-054-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901009 Analysis of the Distributed Mining Structural Engineering of Large and Thick Orebody in Sijiaying Zhai HuichaoHu WeiweiZhang LiguoZhang Yanfen （Hebei Iron and Steel Group Mining Co.， Ltd.， Tangshan 063000， China） AbstractIn view of the potential instability of surrounding rock in large-scale underground mining in Sijiaying， UDEC software is used to carry out numerical calculation to analyze the variation of ground pressure in different mining stages. Stress nephogram reveals the evolution of arch bearing structure in roof rock mass of stope， which is beneficial to maintaining the sta⁃ bility of surrounding rock. The arch rise f and arch span L in this structure are approximately equal. At the same time，there are three high pressure stress zones in the upper and lower boundaries of orebody at the arch foot and the rock strata of the arch roof weathering zone. The stress concentration in the upper and lower wall suggests that the ore room in this area should be filled quickly. In addition， based on the results of numerical analysis， the arch truss structure engineering system is estab⁃ lished. The mechanical model of the system is analyzed by the force ， and the width ratio of one-step room to two-step room is obtained. The width of the room with thick and large orebody is designed to be 20 m，with the safety factor of 1.96. The safety and continuity of large-scale underground mining can be effectively guaranteed by early warning of numerical calcu⁃ lation， and optimization design based on theoretical analysis. KeywordsLarge and thick orebody， Open stoping with subsequent filling ， Numerical simulation， Truss Struc⁃ ture， Stability of surrounding rock 收稿日期2018-12-05 基金项目国家 “十三五” 重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801601） ， 河北省自然科学基金项目 （编号 E2017318003） 。 作者简介翟会超1981， 男， 高级工程师， 博士。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 司家营南区铁矿资源总储量14.5亿t， 平均品位 30.9， 产能 1 500 万 t/a， 矿体倾角 55， 厚度 150～ 300 m。受地表环境限制， 应用空场嗣后充填法进 行开采 ［1-2］， 沿矿体走向布置井下矿块， 其内部分步 式回采矿房垂直于矿体走向布设， 回采一步矿房 时， 二步矿房为矿柱起支撑作用， 随后充填一步采 空区， 再以胶结充填体作为支撑回采二步矿房， 全 尾砂充填二步矿房。井下大规模开采活动对采场 稳定性提出了较高要求， 科学合理分析一、 二步矿 房间隔开采的地下空间结构体系对于大规模进行 地下资源充分回收和司家营南区可持续发展具有 重要意义。 54 ChaoXing 1数值分析 1. 1模型与材料参数 为揭示井下大规模间隔开采引起的地压变化， 采用UDEC力学软件 ［3］对一步矿房回采、 一步采空区 充填二步矿房回采 （图1） 的采场围岩地压分布进行 跟踪计算。 UDEC模型为二维模型， 宽度1 200 m， 高度815 m， 矿体倾角按实际设计为55， 矿体水平厚度取值为 300 m。模型中包含第四系、 风化带、 矿体、 围岩和7 组优势结构弱面。模型材料的物理力学性质参数取 值见表1。 1. 2模拟结果 一步矿房回采后的水平应力云图如图2所示。 由图2可知 一步矿房回采使矿岩应力场重新分 布， 形成一个由二步矿房矿柱支撑的连跨矿房群拱 形承载结构作用场， 该拱形结构存在3个应力集中区 域， 分别位于矿体上盘边界、 矿体下盘边界、 风化带 岩层。由3个应力集中区位置可知， 该不可逆三铰拱 结构跨度 （矿体水平厚度） L与拱失f近似相等 ［4-5］。 对一步采空区充填后的二步矿房进行回采， 主 应力计算结果见图3。 图3得出， 一步采空区胶结充填后， 对二步矿房 开采时出现了矿块及围岩压应力场全覆盖， 高应力 集中在矿体上下盘处。在顶板依然存在一明显的拱 支撑结构， 拱失 f 与跨度 L （开采矿体厚度） 近似相 等。表明一步胶结充填体正与顶板、 上下盘围岩自 适性拱形支撑结构进行协同维稳， 须对二步回采矿 房及时进行全尾砂快速充填 ［6-8］。 一步矿房回采所形成的屈服面模拟结果如图4 所示。 由图4可以看到上盘沿结构面方向屈服破坏面， 以及下盘处2条显著的屈服破坏面， 且靠近上下盘矿 房顶板有冒落趋势。同时， 各个二步回采矿房矿柱 内部有局部或大面积的损伤破坏和结构面滑移张开 现象。 2019年第1期翟会超等 司家营厚大矿体矿房分步式开采结构工程分析 55 ChaoXing 2地下拱形桁架结构分析 根据上述研究结果， 在采场顶板或采空区顶板 岩层内存在一个承压拱形结构， 拱结构拱失f和拱跨 L近似相等。同时， 一、 二步矿房间隔开采， 二步矿房 与一步采空区嗣后充填体互为支撑柱体， 另有采场 顶板上覆岩层厚大， 因此本研究将间隔开采的支撑 矿柱和采场顶板岩层这一协同维稳结构工程简化为 拱形桁架结构 ［9-12］。 2. 1桁架结构设计 为阐述桁架结构的设计思路， 以140 m厚、 倾角 55的矿体作为分析设计对象。 均匀布置3个一步采矿房、 4个二步采矿房， 矿房 宽度相等均为a， 开采总水平作为拱结构的拱跨6a， 与拱失6a相等。一步矿房回采后， 二步矿房作为矿 柱支撑顶板， 二步矿房中点为拱形桁架结构的超静 定支撑点 （铰支） ， 分别为A、B、C、D点， 则回采总水平 为3个连跨， 单个跨度为2a。拱形上按照拱跨和拱失 相等原则设计， 二步矿房支撑铰点有m个 （本例中4 个二步矿房， 故m4） ， 拱形曲线上的铰点数量为m-1 个， 近似设计3个铰点E、 F、 G， 第一层铰点E和G， 它 们与A、 B、 C、 D 4点连线的长度为2倍单个跨度 （4a） ， 第二层铰点F为拱顶点， 与A、 B、 C、 D 4点连线的长度 为3倍单个跨度 （6a） ， 整个拱形桁架以过F点的垂线 为中心线呈对称性。顶板岩层按均载q计算， 如图5、 图6所示， P2aq。 2. 2结构计算 由于图5中拱形桁架结构为2次超静定， 运用力 法进行超静定支座C、 D点反力计算， 而后进行整体 桁架内受力计算。 对于n次超静定问题， 有如下方程组成立 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δ11X1δ12X2Δ1P0 δ21X1δ22X2Δ2P0 ⋮ δn1X1δn2X2ΔnP0 ，（1） ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δ11δ12δ1n δ21δ22δ2n ⋮⋮⋱⋮ δn1δn2δnn ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ X1 X2 ⋮ Xn ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ Δ1P Δ2P ⋮ ΔnP ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 0 ⋮ 0 .（2） 式中，ΔiPc＜n为自由项， 是因荷载引起的i方向位 移；δijj＜n柔度系数， j方向的单位力引起i方向产生 的位移，δii＞0，δijδji； 其中， 铰点受荷载作用时， 结构 体系内部为二力杆， 即只存在杆件轴力， 而无剪力与 弯矩。 柔度系数和自由项的计算公式为 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δii∑F ˉ2 Nil EA δij∑F ˉNiFˉNjl EA ΔiP∑F ˉNiFNPl EA ，（3） 式中，FˉNi为第i个超静定单位力Xi1时杆件的轴力； FNP为荷载外力下静定体系的杆件轴力； l为杆件长 度； A为截面面积； E为弹性模量。 则二次超静定拱桁架结构体系可分解为外力作 用、 不同超静定杆件单位力作用的3种受力形式， 如图7 所示。 采取截面法或节点法进行计算， 同时利用对称 性求解公式 （3） 中的自由项和柔度系数值 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δ11δ22 6.45a EA δ12δ21 4.66a EA Δ1PΔ2P-7.33aP EA .（4） 并将自由项和柔度系数代入式 （1） ， 求解出2次 超静定支座反力X1X2≈0.66P。 原超静定拱形桁架受力体系的轴力分布如图8 2019年第1期总第511期金属矿山 56 ChaoXing 所示。 司家营南区首采水平-450 m， 覆岩荷载q10.4 MPa。矿体等效抗压强度[ ]σ为13.59 MPa， 设二步矿 房宽度为b， 则取中间矿柱验算求解矿房参数。 令0.66P[ ]σ b， 则 a b [ ]σ 1.32q ， 将参数值代入， 得 a b [ ]σ 1.32q 13.59 1.3210.4 ≈0.98. 由上述计算可知 a与b近似相等， 即一步矿房回 采空区跨度2a为二步矿房宽度b的2倍。本研究一、 二步矿房宽度取值均为20 m， 安全系数可达1.96， 并 依此布置水平矿房。 3结论 （1） 根据矿区工程地质条件和开采设计， 应用 UDEC离散元力学软件建立了包含第四系、 风化带、 矿体、 围岩和7组优势结构弱面的数值计算模型。 （2） 采场顶板在不同开采过程中均呈现拱失和 拱跨近似相等的拱形承载结构， 应力集中在拱脚矿 体上、 下盘和拱顶风化带， 上、 下盘处应力达到40～50 MPa， 需快速组织充填。 （3） 建立了拱形桁架结构工程体系， 运用力法对 该体系的力学模型进行了分析， 得出一、 二步矿房宽 度比值约为1， 据此设计的一、 二步矿房宽度为20 m， 安全系数为1.96， 据此布置矿房有利于井下安全开 采。 参 考 文 献 于清军， 胡忠强， 李元辉.急倾斜厚大矿体阶段深孔空场崩落联 合采矿法 ［J］ .金属矿山， 2015 （3） 14-18. 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