下向充填采矿法充填程度与采场稳定性数值模拟.pdf

第5 2 卷第1 期有色金属 V 0 1 ．5 2 ，N o ．1 20 00 年2 月 N O N F E R R O U SM E T A L S F e b r u a r y 2000 下向充填采矿法充填程度与采场稳定性数值模拟 刘强，许新启，桑守勤 北京矿冶研究总院，北京，1 0 0 0 4 4 摘 要针对武山铜矿北矿带钢筋混凝土下向进路式充填采矿法生产中普遍存在的充填不接顶现象，本文对充填程度与 采场稳定性进行了数值模拟研究，为简化矿山充填工艺、降低成本，实施部分充填提供了理论依据。 关键词下向充填采矿法；部分充填；采场地压；数值分析 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 1 0 0 1 7 0 5 1前言 武山铜矿是一座中型地下铜矿山，其北矿带采 矿应用带钢筋混凝土假顶的下向进路式水砂充填采 矿法开采。在生产实践中，由于充填管理不力以及 水砂充填体的沉缩特性、木支柱与水砂充填体之间 压缩模量相差悬殊等方面原因，充填进路难以接 顶，各充填分层均存在一定程度的空区。生产实践 证明，上述部分充填现象并没给矿山生产造成不利 影响，为研究下向充填法部分充填的合理性，简化 充填工艺、降低充填成本、提高矿山效益，必须对 采场稳定性进行分析，以确定矿山安全生产的合理 充填和采矿结构工艺参数。 2工程地质与采矿方法简介 武山铜矿北带主要开采对象为1 C u 矿体，赋 存于石灰岩的层间破碎带中，矿体呈似层状产出， 倾向1 6 5 。，倾角5 6 。～6 4 。，矿体长1 6 0 0 m ，厚 1 6 ．8 m 。矿石类型浅部为含铜黄铁矿和含铜高岭 土，深部为含铜矽卡岩和含铜碳酸盐岩。矿体底板 主要是含砾石英砂岩，顶板为白云岩、大理岩。 武山铜矿北带下向水平分层充填采矿法采场采 用下盘斜坡道采准方案，沿矿体走向划分盘区。盘 区长1 0 0 m ，阶段高4 0 m ，分层高为2 ．9 ～3 ．O m 。在 盘区中央由分段平巷垂直矿体走向掘进分层联络 道，由此沿矿体掘进切采巷道，再由切采巷道掘进 回采进路，其规格为3 3 ．3 m2 。回采时进路采 用西1 5 0 ～2 5 0 r a m 坑木支护，支柱间距1 ．0 ～ 1 ．5 m 。进路回采结束后，首先铺设钢筋混凝土假 顶，假顶厚度为3 0 0 m m ，然后水砂充填空区。为便 收稿日期1 9 9 9 0 2 0 3 作者简介刘强．男，2 8 岁，硕士，工程师 于采场安全作业，上下分层回采进路垂交或斜交布 置。回采顺序为从采场两翼向中央后退式回采或从 上盘向下盘回采。 3 力学参数及力学模型 3 ．1 数值模拟原理 考虑到工程性质及重要程度、矿岩和充填材料 介质等的非均质，本文采用二维弹塑性分析，避开 单纯从材料试验中建立力学模型及刻意追求介质的 本构关系的研究方法，力求力学模型简化，仅需反 映介持的基本力学特性及开采过程，重点在于研究 充填程度的影响作用。结合矿山开采实际，建立必 要的分析模式、模型及研究方案，同时引入稳定性 系数作为稳定性判据。上下盘围岩、矿体和水砂充 填体采用二维平面应变固体单元，钢筋和坑木支柱 采用三维桁元，如图1 、图2 。 4 图1二维平面应变固体单元 F i g ．1 2 - d i m e n s i o np l a n es t r a i ns o l i de l e m e n t 对于材料非线性问题进行有限单元分析时，考 虑小变形，其增量形式应力应变关系为 d 盯} - [ D 】。∥{ s 对于平面应变问题，弹塑性矩阵【D 】。。为 万方数据 1 8有色金属 第5 2 卷 N O D 1 N O D 4 ≮悉N N O D 2 N O D f 3 1 一一 图2三维桁元 三节点、四节点 F i g ．2 3 - d i m e n s i o np o l ee l e m e n t 3 ，4n o d e ‰2 斋籍 O - y t 2 2 P 一仃』仃，7 百2 P 一 二盟些型 1 一Ⅳ2 对 o 2 P 1 一曲q ’ 肛 1 一肛 R 1 一谚2 1 心 称 2 H 1 4 z 1 ∞万2 1 洹一 P 型坠塑至 T 。 卜p 9 E x y 1。 ＼‘r ‘， 式中R2 吒r 2 了兰吾巳7 c r y ’ c r y 吐 Q 巳吧 町吃 2 p 2 q 吃 2 1 一p r 刍 器 H ’强化阶段曲线孑一i 的斜率 G 剪切模量。 3 ．2 稳定性判据 试验表明岩石试件遭到破坏后均会进入一种仅 具有残余粘结力和残余摩擦角的理想塑性状态，而 且不同应力组合加载方式达到残余破坏状态时试件 的塑性体积大体相同，因此将应力应变曲线软化段 上与不同应力组合状态对应的塑性体积应变值同统 一的岩石破坏状态时的塑性体积应变值之比即可作 为岩石破坏程度的标志 稳定性系数 。 s 等 式中S 稳定性系数； ￡ 厂一达到残余破坏强度时永久塑性体积 L n 鲁 应变， ￡ r - 争，C 为岩体的粘结力，q ～A 0 为岩体的残余粘结力峰值，壕为试验常数。 ￡各种应力状态下塑性体积应变。 3 ．3力学参数 力学参数涉及到计算区域内岩体介质类型的简 化，选择恰当的力学参数是保证数值计算可靠的重 要条件。本文根据实验室岩块试验，并考虑试块的 结构效应和尺寸效应的影响，对岩块的力学参数进 行适当修正后来获得比较接近岩体实际的力学参 数，表1 、表2 、表3 分别为各种介质的力学参数。 3 ．4 计算几何模型的确定 武山铜矿北带的矿体的厚度与走向长度相差悬 殊，选择垂直矿体走向的剖面作为计算剖面。计算 范围根据可能出现的最大移动范围或变形范围确 定。对于垂直矿体走向的计算剖面，其下盘岩体移 动角约5 5 。，上盘岩体移动角约5 0 。，据此确定计 表1 岩体及充填介质力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ka n df i l l i n gm e d i u m 万方数据 第1 期 刘强等下向充填采矿法充填程度与采场稳定性数值模拟1 9 衷3 T a b l e3 假顶铺设钢筋网力学参数表4假顶下沉量和压力的计算值与实测值对比 M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs t e e l m e s hp a v e di na r t i f i c i a lr o o f 算剖面高度为2 0 0 m ，宽度为l O O m 。对所选的计算 剖面区域进行离散化处理，得到数值模拟的几何模 型，如图3 。 图3 网格局部 F i g ．3 S e c t i o no fm e s h 计算时未考虑构造应力场，直接以自重应力场 作为计算模型的边界应力，模型底面采用水平铰约 束，计算模型边界约束条件见图4 。 II I I ““ ‘● j j 卜 a卜 o 一 卜4 匡弓 I。 ● J。 』●■I ，二 』． J．t 1 f ’ I l ’ - II _ 工五jiIJ 图4 边界约束条件 F i g ．4 R e s t r a i n e dc o n d i t i o no fb o u n d a r y 4 数值模拟结果与现场观测值的对比 为了确定数值模拟的可靠性，首先对现行采矿 方法 采用完全充填程度 进行了数值模拟计算， 表4 为对应位置位移和压力的计算值和现场实测 值。 T a b l e4S u b s i d e n c ea n dp r e s s u r ec o m p a r i s o no f a r t i f i c i a lr o o fb e t w e e nc o m p u t i n ga n ds u r v e y i n g 由于充填体自身的沉降特性，很难作到充填进 路完全接顶，实际情况中顶板的下沉量是较大，但 数值模拟结果与现场实测值仍具有相同的变化趋 势；假顺靠近上下盘围岩的两端下降量较大，坑木 支柱也是以两侧的支撑力较高。另外，计算得出的 支柱压力大于实测的支柱压力，以计算值作为评价 依据能够保证实际安全，因此数值模拟对采场地压 研究是一种切实可行的方法，其结果是可信的。 5不同充填程度下采场稳定性分析 通过模拟完全充填、3 [ 4 、2 ／3 、t ／2 充填方案 下采场稳定性变化过程，对不同充填程度下采场稳 定性进行探讨。各计算模型和网格剖分形式基本相 同，仅采区内的充填体单元的边界线进行了适当调整。 5 ．1 充填结构稳定性分析 在完全充填时钢筋混凝土假顶只有第一层靠近 下盘围岩处发生了塑性应变，其余均保持弹性状 态，而部分充填时所有的钢筋混凝土假顶单元均进 入了塑性状态，并产生塑性应变，如表5 所示。在 各种不完全充填程度下，假顶单元呈现的稳定性系 数变化规律基本相同假顶单元的稳定性系数随所 处的分层位置下降而减小，同一分层内靠上下盘围 岩的单元稳定状况比中部单元的稳定状况差；其 次，无论所处位置及充填的先后次序，假顶的稳定 性系数在数值上均随充填程度的降低而降低。 在完全充填时，只有位于充填区域的顶板与上 盘围岩转角跟底板与下盘围岩转角的对角线上侧的 水砂充填体单元进入塑性状态，发生塑性应变；部分 充填时所有的水砂充填体单元都产生了塑性变形， 稳定性系数大为降低，且各分层充填体单元呈现出 基本一致的稳定性系数变化规律单元的稳定性系 数随其所处分层的位置下降而减小，同一分层内靠 上下盘围岩的单元稳定状况比中部单元的稳定状况 更差，如表6 所示。充填体单元的稳定性系数在数 值上随充填程度的降低而降低。 万方数据 2 0 有色金属第5 2 卷 从表5 、表6 可以看出，钢筋混凝土假顶和水 砂充填体受充填程度的影响而产生塑性应变的特征 基本相同．且假顶所受的影响相对较严重。完全充 填时假顶的稳定性比水砂充填体好，而一旦出现充 填不接顶现象，纵向上的空隙隔断了纵向应力的传 递，水砂充填体侧限约束减少，支撑能力大大降 低，使假顶承受的围岩变形压力迅速增加，假顶稳 定性状况比水砂充填体更差。 5 ．2 坑木支柱与假顶配筋受力状况 在部分充填情况下。假顶的垂直位移随充填程 度的增加而呈现两端位移加大、中间位移减小的趋 势，这使得第一层假顶的承载形式由完全充填时的 楔块梁转化成了部分充填时的简支梁，导致中间支 柱承受压力最大，两侧的压力相对较小．有利于充 分发挥假顶配筋的支撑潜能。图5 给出了第一分层 假顶的四根支柱在四种不同充填程度下支撑力状 态。由此可见，各根支柱在支撑假顶时所起的作 用完全充填支柱支撑力由上盘至下盘的顺序依次 增加，而不完全充填时均呈现出中间支柱承受压力 最大，两侧的压力相对较小。不完全充填程度时， 第一分层假顶为简支梁形式，假顶中部位移最小， 其支柱应力相对较大。图6 为不同充填程度下假顶 配筋所受轴力。3 ／4 充填程度下钢筋的轴力比完全 充填时增加了1 2 ．5 ％，2 ／3 充填程度下的钢筋轴力比 完全充填时增加了1 5 ％，1 ／2 充填程度时钢筋轴力 增加了2 7 ．5 ％。由此可见，2 ／3 充填程度以下，钢 筋轴力随充填程度下降而加速增大，假顶的稳定性 有迅速恶化的趋势。 9 卜 8 ． 7 ． 6 ． 5 ． 4 ． 图5支柱支撑力受充填程度的影响 F i g ．5 I n f l u e n c eo ff i l l i n ge x t e n to n s u p p o r t i n gf o r c eo ft i m b e r 024681 01 2 m 图6不同充填程度下混凝土假顶钢筋轴力 F i g ．6 I n f l u e n c eo ff i l l i n ge x t e n t0 1 3 ．a x i a l f o r c eo fs t e e l i na r t i f i c i a lr o o f 5 ．3 充填程度对围岩稳定性的影响 完全充填时采场围岩发生塑性变形的区域只出 现在顶板与矿体下盘的交界处的下盘围岩单元中， 且塑变相当轻微。部分充填时采场的四周围岩都产 加m∞粥∞街∞∞柏 叠苫 万方数据 第1 期 刘强等下向充填采矿法充填程度与采场稳定性数值模拟 2 1 生了塑性区域。且区域的单元塑性应变随充填程度 的降低而增大，稳定性系数相应减小。在矿体上盘 与顶板交界处围岩和底板与下盘交界处的围岩这一 对角区域内发生的塑性变形比另一对角处区域明显 大些。从表7 还可以发现，充填程度对上盘围岩单 元产生的影响较大，稳定性在2 ／3 充填程度与1 ／2 充填程度之间存在着急剧恶化现象。 表7不同充填程度下围岩稳定性系数比较 T a b l e7S t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kt o d i f f e r e n tf i l l i n ge x t e n t 综合表5 、表6 、表7 可知，在给定计算条件 下，围岩稳定性要优于充填体的稳定性；且充填体 结构内部，假顶稳定性受充填程度的影响最为严 重。但无论是围岩单元还是充填体单元。各种充填 程度下的稳定性系数均大于1 ，这就是说，从理论 上讲即使在1 ／2 充填程度下也能保持回采安全。考 虑到理论的诸多假设和局限性，并且在2 ／3 充填程 度和1 ／2 充填程度之间稳定性系数存在急剧减小的 趋势，因此在实际生产中应充分关注这一现象，使 最小充填量尽量不低于2 ／3 。 6结语 1 数值模拟技术用于分析采矿工程中地压 问题，能够得出一些具有趋势性的变化规律，对采 场地压研究不失为一种切实可行的方法。 2 总体上讲，部分充填对充填结构的稳定 性是不利的。但采用部分充填时仍存在一个充填程 度转折点，其左右变动导致充填结构和围岩稳定性 状态急剧变化，且围岩的稳定性状况优于充填体的 稳定性，充填体结构内部的假顶稳定性受充填程度 的影响最为严重。 3 对武山铜矿北带下向分层进路式水砂充 填采矿法而言，无论是围岩单元还是充填体单元， 在各种充填程度下的稳定性系数均大于1 ；理论上 讲，1 ／2 充填程度也能保证进路采矿安全；从数值 上看，2 ／3 充填程度和1 ／2 充填程度之间其稳定性 系数存在急剧减小的趋势，因此在实际生产中应充 分关注这一现象，其最小充填程度尽量不低于 2 ／3 。 参考文献 1k ．J 巴斯．工程分析中的有限元．北京机械工业出版社，1 9 9 1 ．7 2 北京矿冶研究总院．武山铜矿北矿带采矿方法试验研究一下向进路式水砂充填采矿法，鉴定资料，1 9 9 2 N U M E R I C A LS I M U L A Ⅱo No NS T A B I L I T Vo FU N D E R H A N DC U T A N D F I I 工 ⅣI 咖o DW I T HD I F F E R E N TF I L L I N GE K l l E N T L I UQ i a n g ，x uX i n q i ，S A N GS h o u q i n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ．B e i j i n g1 0 0 0 4 4 A B S T R A C T N o r t h e r nm i n ef i e l do fW u s h a nC o p p e rM i n ea d o p t su n d e r h a n dc u t a n d f i l lm i n i n gi nw h i c hv a - c a n td i m e n s i o ne x i s t sw i d e s p r e a d ．S t o p es t a b i l i t yi nd i f f e r e n tf i l l i n ge x t e n ti ss t u d i e dw i t hn u m e r i c a la n a l y s i s ．T h i sr e s u l t si nt h ec o n c e p to fs e c t i o n a lf i l l i n gw h i c hb e c o m e st h et h e o r e t i c a lb a s i so fa d o p t i n gs e c t i o n a lf i l l i n gm e t h o dt os i m p l yf i l l i n gc r a f ta n ds a v ef i l l i n gC O S t ． K E YW O R D S u n d e r h a n dc u t a n d f i l lm i n i n g ；s e c t i o n a lf i l l i n g ，s t o p es t r e s s ，n u m e r i c a la n a l y s i s 万方数据