平里店矿区缓倾斜浅埋薄矿体残矿岩体稳定性数值模拟.pdf

第6 2 卷第2 期 201O 年5 月 有色金属 N o n f e I T O U M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．No ．2 M a v201O 平里店矿区缓倾斜浅埋薄矿体 残矿岩体稳定性数值模拟 陈赞成，杨鹏，吕文生，门瑞营，于跟波 北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要针对平里店矿区缓倾斜残留矿产资源的分布情况，建立F L A C 3 D 模型，模拟分析研究原生矿柱与充填矿柱支撑下残 留矿体围岩区域应力场分布规律、位移大小、垂直应力分布规律及其破坏场等。结果表明，得出采用充填矿柱置换原生矿柱的方 案可行。 关键词采矿工程；残留矿体；数值模拟；采空区；三维有限元法；充填矿柱 中图分类号T D 8 5 3 ．3 9 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 8 9 0 4 残留矿产资源的安全高效回收是目前采矿界面 临的技术难点之一，为了满足国民经济高速发展的 需要，残留矿产资源的回采已成为矿产资源可持续 发展的必由之路，任何矿山企业也不例外。随着山 东黄金集团矿山开采技术水平的逐步攀升和集团公 司整体实力的日益巨增，为确保平里店矿区安全生 产的同时延长其生产服务年限，平里店矿区残留矿 产资源安全高效回收已成为该矿亟待解决的采矿难 题，而该难题解决的关键步骤之一就是残矿岩体稳 定性问题。然而，随着近年来计算机的发展，数值模 拟计算方法有了长足的进步，己经成为岩石力学研 究和工程计算的重要手段。现在的数值模拟方法主 要有有限差分法、有限单元法、离散元法、无界元法 以及上述各种方法的藕合等“0 | ，以平里店矿区残 留矿体为研究对象，应用三维有限差分计算软件一 F L A C 3D F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u a ，建 立了三维有限元数值分析模型，对该矿残留岩体的 稳定性进行分析。 1工程概况 山东黄金集团有限公司三山岛金矿是山东黄金 主体矿山之一，2 0 0 6 年进入资源整合之后，三山岛 金矿包括四个矿区三山岛矿区、新立矿区、仓上矿 区和平里店矿区。三山岛金矿平里店矿区的矿床是 石英脉型矿床，主要由1 号和2 号含金石英脉带组 收稿日期2 0 0 9 1 0 3 0 作者简介陈赞成 1 9 8 0 一 ，男，甘肃宁县人，博士生，主要从事矿 井通风及残矿回采等方面的研究。 成。1 号矿脉赋存在破碎带中，由断续延伸的石英 脉组成，整个破碎带宽1 ．8 1 8 m ，石英脉宽0 ．3 4 m 水平厚度 ，已揭露的平均厚度仅为0 ．5 m 。矿 体为缓倾斜薄矿体，走向为中部北北东向，两端为北 东向，倾向南东，倾角1 5 0 一4 2 0 ，平均倾角为1 5 0 。 截止到目前为止，在国内外很多近地表已采矿 山形成的采空区轮廓周围都或多或少的赋存残留矿 产资源，三山岛金矿平里店矿区也不例外，在矿山开 采过程中形成的残留矿产资源给该矿区长远发展带 来巨大的挑战和机遇。根据三山岛金矿平里店矿区 矿体的赋存特征及其开采技术条件，矿床采用房柱 法采矿方法进行回采，在回采过程中残留了大量的 矿产资源。由于采用房柱法进行回采，为确保矿山 生产的安全性，采场内残留大量高品位点柱，由于薄 矿脉采用脉内开拓的方式，回采时为确保沿脉运输 巷道的安全，也留了大量的顶柱和底柱。 图1 三维模型网格 F i g ．1 T h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l 万方数据 有色金属第6 2 卷 2 F L A C 计算原理及步骤 2 ．1 计算模型 为了全面、系统地研究平里店矿区1 0 5 8 采场应 力分布规律，建立三维数值计算模型，模型长1 5 0 m ， 高1 2 0 m ，共划分2 5 0 1 5 6 个单元，斜井附近区域的 网格适当加密，平均尺寸为0 ．5 m 0 ．5 m ，如图l 所 示。模型顶部根据埋深施加载荷，两侧限制水平方 向移动，模型底部限制垂直方向移动。 2 ．2 计算参数 根据现场取样和岩石力学试验结果，当载荷达 到强度极限后，岩体产生破坏，在峰后塑性流动过程 中，岩体残余强度随变形发展逐步减小。因此计算 中采用莫尔．库仑 M o h r C o u l o m b 屈服准则判断岩 体的破坏式 1 ，采用应变软化模型以反映岩体破 坏后随变形发展残余强度逐步降低的性质。式中 盯。和∥，分别是最大和最小主应力，C 和 分别是粘 结力和摩擦角。当， 0 时，材料发生剪切破坏。 在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根 据抗拉强度准则 盯，≥矿， 判断岩体是否产生拉破 坏。 ， 矿l o r 3 1 s i n 妒 ／ 1 一s i n p 一2 c [ 1 s i n 妒 ／ 1 一s i n 9 ] 2 1 根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学 试验结果，考虑到岩石的尺度效应，模拟计算采用的 岩体力学参数见表1 。 表1 计算采用岩体力学参数 T a b l e i M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s 3 数值计算结果分析 萎耋萎套蓑翥薏蓑耄主吴兰2 勰提f 1 3 氘3 M 采P a 3 ．1 围岩应力场分析降为2 M P a 。 图2 所示为主应力矢量场。从图2 a 可以看 出，在采空区岩体两侧以及原生矿柱中有较高的应 力集中，从图2 b 可知用充填支柱支撑后最大压应 力有所降低而最大拉应力则略有升高。 a 一原生矿柱支撑； b 一充填矿柱支撑 图2 主应力矢量场 F i g ．2P r i n c i p a ls t r e s sv e c t o rf i e l d 图3 所示为最大主应力场。从图3 a 可以看 出，．最大主应力主要集中在原生矿柱中和采空区的 隅角处，在采空区顶板和底板应力较小，原生矿柱最 大应力值约为7 ．1 4 M P a ，由图3 b 知，改用充填支 a 一原生矿柱支撵； b 一充填矿柱支撑 图3 最大主应力场 F i g ．3 M a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s sf i e l d 图4 所示为垂直应力场。从图4 a 可见，在原 生矿柱内垂直应力最大，矿柱支撑下最大为 6 ．4 6 M P a ，充填矿柱下垂直应力最大为7 ．9 4 M P a ，支 撑力有所提高，采空区顶板和底板垂直应力有所降 低，由2 M P a 降为l M P a 。 3 ．2 围岩破坏场分析 图5 所示为破坏场。从图5 a 可以看出，原生 矿柱支撑时采空区顶板和底板没有出现塑性区，在 万方数据 第2 期 陈赞成等平里店矿区缓倾斜浅埋薄矿体残矿岩体稳定性数值模拟 9 l a 一原生矿柱支撵； b 一充填矿枉支撵 图4 垂直应力场 F i g ．4 V e r t i c a ls t r e s sf i e l d 矿柱内出现塑性区，因此原生矿柱提供的支撑力有 限，而由图5 b 可以得知，采用充填矿柱支撑后充 填矿柱内则不会出现塑性区，因此可以提供较大的 支撑力，塑性区转移到采空区域的顶板和底板。 a 一原生矿柱支撑； b 一充填矿柱支撑 图5 矿柱支撑下破坏场 F i g ．5 F a i l u r ef i e l du n d e rp i l l a rs u p p o r t i n g 3 ．3 围岩位移场分析 图6 所示为位移场。从图6 可以看出，在采空 参考文献 区域的顶板和底板的位移量最大，矿柱支撑时最大 值为2 ．2 6 8 m m ，改用充填支柱后最大值为 2 ．7 2 2 m i l l 。 ㈨。。曩曩曩㈡≯㈠隆㈦萎i i i i 曩i , j j．．．{ 一．‘o 。{ ；，i ；；} { ；⋯，⋯，。 銎攀攀鋈鬻 a 一原生矿柱支撑； b 一充填矿柱支撑 图6 矿柱支撑下位移场 F i g ．6D i s p l a c e m e n tu n d e rp i l l a rs u p p o r t i n g 4结论 平里店矿区采用房柱法开采后形成的残矿区域 稳定性较好，这与到目前该矿区所形成采空区基本 稳定，从未发生大面积采空区顶板冒落相吻合。数 值模拟结果表明，平里店矿区残留岩体都存在破坏 的可能，因此为回收残留矿产资源，因采取科学、合 理的支护措施，以确保平里店矿区残留矿产资源回 采的安全性。为保证平里店矿区残矿回采的安全 性，采用充填矿柱以置换原生矿柱，通过数值模拟研 究得知，充填矿柱支护顶板置换原生矿柱理论技术 上可行。研究的是平里店矿区残留岩体静荷载作用 下的稳定性问题，动荷载作用下的稳定性问题有待 进一步研究。 [ 1 ] 钟刚，韩方建．平水铜矿采空区稳定性数值分析[ J ] ．金属矿山，2 0 0 4 ， 3 8 一l l ，1 4 ． [ 2 ] T r u e m a nR ．F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o r t h ee s t a b l i s h m e n to fs t r e s sd e v e l o p m e n ti nac o a lm i n ec a v e dw a s t e [ J ] ．M i n i n gS c i e n c e T e c h n o l o g y ，1 9 9 0 ，1 0 3 2 4 7 2 5 2 ． [ 3 ] 胡永泉．冶山铁矿北矿区下部矿体矿岩稳定性数值模拟[ J ] ．矿业快报，2 0 0 3 ，4 2 9 ；1 2 1 3 ，3 1 ． [ 4 ] 李～帆，张建民．某铜矿采空区稳定性的离散元数值模拟[ J ] ．铜业工程，2 0 0 6 ， 1 2 3 2 6 ． [ 5 ] 妙美兰，寥英泰，邹泽举．基于弹性非线性理论的采空区有限元数值模拟分析[ J ] ．西部探矿工程，2 0 0 5 ，1 l 1 7 1 0 4 1 0 6 ． [ 6 ] 任高峰，王官宝，石栓虎．特大地下采空区稳定性评价及处理措施[ J ] ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 5 ，2 2 2 2 2 5 ． [ 7 ] Y a nC h a n g B i n ，X uG u o Y u a n ，L iX i B i n g ．S t a b i l i t ya n a l y s i so fm i n e d o u ta r e a sI n f l u e n c e db yb l a s t i n gv i b r a t i o nw i t hF l a c ‘3D [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ．2 0 0 5 ，2 4 16 2 8 9 4 2 8 9 9 ． [ 8 ] 李宗翔，夏春林．任意采空区边界信息处理与有限元网格生成[ J ] ．辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，3 2 3 J 2 8 9 2 9 2 ． [ 9 ] 李发本，周子龙，李夕兵，等．三道庄露天坑采空区探测与有限元模拟[ J ] ．地下空间与工程学报，2 0 0 5 ，6 1 ● 一8 9 5 8 9 8 ． 万方数据 有色金属 第6 2 卷 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fF l a t g r a d eT h i na n dS h a l l o wB u r i e dO r e b o d yS t a b i l i t y C H E NZ a n c h e n g ，Y A N GP e n g ，L VW e n - s h e n g ，M E N GR u i - y i n g ．Y UG e n b o S c h o o lo fC i v i la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no ff l a t g r a d er e s i d u a lm i n e r a lr e s o u r c e si nP i n g l i d i a n ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fz o n e s t r e s sf i e l d ，t h ed i s p l a c e m e n t ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fv e r t i c a ls t r e s s ，d a m a g ef i e l d o ft h er e s i d u a lo r e b o d y s u r r o u n d i n gr o c ku n d e rt h es u p p o r to fj u v e n i l ep i l l a ra n db a c kf i l l i n gp i l l a ra r ei n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n w i t h F L A C 3Dm o d e l ．I ti sf e a s i b l ef r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i n ga n a l y s i st h a tj u v e n i l ep i l l a ri sr e p l a c e db yb a c kf i l l i n g p i l l a r ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；r e s i d u a lo r e b o d y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i n g ；m i n i n g o u ta r e a ；3Df i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；b a c kf i l l i n gp i l l a r 有色金属欢迎E ．m a i l 投稿 随着信息化的进程，有色金属 季刊 编辑部逐步实现数字化办公，欢迎广大作者以E ．m a i l 方式投稿。 编辑部的E m a i l 为y s j s p e r i o d i c a l s ．n e t ．c a ， 5 M ；y o u s c h i n a j o u r n a l ．n e t ．e n ， 5 0 M 。E m a i l 方式投稿存在 一定困难的作者，仍可通过挂号信方式投稿，为使您的稿件能及时处理，来稿请务必注明有色金属 季刊 编辑部，收件人张振健。谢谢您对本刊的长期支持，希望您一如既往。有色金属 季刊 编辑部 欢迎通过“非邮联订“ 订阅 有色金属 季刊 一直参加全国非邮发报刊联合征订，联订代号为7 6 9 1 。欢迎广大订户通过全国非 邮发报刊联合征订服务部订阅本刊。全国非邮发报刊联合征订服务部地址为天津市大寺泉集北里别墅1 7 号。邮编3 0 0 3 8 5 。联系电话0 2 2 2 3 9 7 3 3 7 8 ／2 3 9 6 2 4 7 9 。该服务部开通刊林网站，可进行网上联订，网址 为W W W ．L H Z D ．c o r n 。当然，您仍然可以通过编辑部订阅，请直接与张振健主编联系。 有色金属 季刊 编辑部 万方数据