秩和比法耦合数值模拟优化采场结构参数研究.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 3 年0 2 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 耵呕E R 矾G V o l - 3 3 №1 F e b r u a r y2 0 1 3 秩和比法耦合数值模拟优化采场结构参数研究① 周科平，王星星，高峰 中南大学资源与安全工程学院，湖南省深部金属矿开发与灾害控制重点实验室，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为了得到合理的采场结构参数，在地应力测量的基础上，利用F L A C 3 D 对内蒙古获各琦铜矿c uI 矿体采用的上向水平分层 充填采矿法采场在不同结构参数下的稳定性进行了研究，并分析了矿房围岩的应力与位移在不同结构参数 如矿柱宽、矿房宽、控 顶高度 下的变化情况。结果显示开挖矿房两帮出现最大位移和最大拉应力，顶板出现最大压应力。从安全角度出发，采用秩和 比法对正交设计的9 种方案模拟结果进行优选，从经济角度分析，得出获各琦铜矿采场最佳尺寸组合为矿柱宽1 0m ，矿房跨度1 0 m ，控顶高度7m 。 关键词采场结构参数；采矿方法；上向水平分层充填；地应力；数值模拟；秩和比法 中图分类号T D 8 3 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 1 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 O l 一0 0 0 1 0 4 O p t i n f i 盟t i o no fS t o p es m z ．m m lP a r a m e t e r sU s i n gC o u p l e dN u m e r i c a lS i m u l a t i o n w i t hg a n k - s u l nR a t i oM e t h o d Z H O UK e p i n g ，W A N GX i n g x i n g ，G A OF e n g H u n a nK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lR e s o u r c e sE x p l o i t a t i o na n dH a z a r dC o n t r o lf o rD e e pM e t a lM i n e s ，S c h o o lo fR e s o u r c e s a n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e m i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t I nH u o g e q iC o p p e rM i n eo fI n n e rM o n g o l i a ，u p w a r dh o f i z o n m ls l i c es t o p i n ga n df i l l i n gm e t h o dw a sa d o p t e di n m i n i n go fC uIo r e b o d y ．I no r d e rt oo b t a i nr e a s o n a b l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs t o p e ，t h es t a b i l i t yo ft h es t o p ew i t h d i f f e r e n tt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw a ss t u d i e db yu s i n gF L A C 3 0b a s e do nt h em e a s u r e m e n to fi n s i t us t r e s s e s ．T h ec h a n g e i nt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c kw e r ea n a l y z e df o rt h es t o p ew i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r ss u c ha s p i l l a rs i z e ，r o o ms i z ea n ds t o p el a m i n a t i o nh e i g h t ．R e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u md i s p l a c e m e n ta n dt e n s i l es t r e s sw e r e o b s e r v e do nb o t hs i d e so ft h es t o p e ，w h i l et h em a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e s so c c u r r e do nt h et o po ft h es t o p e ．F r o ms e c u r i t y p e r s p e c t i v e ，o p t i m a ls e l e c t i o nw a sc o n d u c t e db yu s i n gR a n k s u mR a t i o R S R m e t h o df o rs i m u l a t i o nr e s u l t so fn i n ek i n d s o fp r o g m n sw i t ho r t h o g o n a ld e s i g n ．B a s e do ne c o n o m i c a la n a l y s i s ，t h er e a s o n a b l es t o p es t r u c t u r ep a r a m e t e r sf o rt h i sm i n e i sa sf o l l o w s p i l l a ri s1 0mi nw i d t h ，r o o mi s1 0mi ns p a na n dt h ed i s t a n c eo ff a c er o o fi sc o n t r o l l e dw i t h i n7m ． K e yw o r d s s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs t o p e ；m i n i n gm e t h o d ；u p w a r dh o r i z o n t a ls l i c es t o p i n ga n df i l l i n gm e t h o d ；i n s i t u s t r e s s e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；R S Rm e t } l o d 内蒙古获各琦铜矿开采深度已经到达6 0 0 多米， 矿山选用的采矿方法是上向水平分层充填采矿法。应 用该采矿法时，采场结构参数的合理选取是技术难题 之一。在实际生产中，为了确定采场结构参数，通常采 用经验类比法和物理模拟实验方法，凭经验或相似矿 山类比法] ，但结论带有较大的主观性；而物理模拟 实验得出的结论可靠，但是它耗时、耗力。 随着矿山岩石力学理论以及数值仿真技术的发 展，数值模拟方法已成为分析采场稳定性的有效方法， 在采用数值模拟时，研究对象的应力状况是影响模拟 结果的重要因素，在浅部工程中考虑自重尚可，但是在 深部工程中构造应力起主导作用，只有根据测量的构 造应力，再结合自重得出来的初始地应力场才是正确 的，进而才能更加准确地判断开挖工程的稳定性，才能 使模拟得到的结论对设计具有一定的指导意义。 l 矿体开采技术条件与采矿方法的选择 内蒙古获各琦铜矿c uI 矿体上盘围岩为二云母 石英片岩和黑云母石英片岩，未硅化或硅化弱的地段， 有很多断裂或破碎带，次生构造、节理、裂隙发育，岩石 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 9 1 8 基金项目国家自然科学基金 5 1 0 7 4 1 7 8 ；青年教师助推专项基金 2 0 1 1 Q N Z T 0 8 9 作者简介周科平 1 9 6 4 一 ，男，湖南衡阳人，博士，教授，博士研究生导师，主要从事深部采矿与矿山岩石力学等方面的教学与研究工作。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 十分破碎，松软，绿泥石化强烈，遇水膨胀，极不稳固； 铜矿体主要产于硅化石英岩、局部条带石英岩中，其岩 石坚硬，强度高，岩石稳固，局部出现破碎带后被磁黄 铁矿胶结现象，强度降低，稳固性较差；下盘围岩以千 枚岩为主，硅化岩石较完整、坚硬、稳固性好，未硅化岩 石则强度较低、稳固性差。 根据矿山开采技术条件、开采现状及装备，并参考 国内外同类矿体开采现状，考虑到矿体形态复杂，矿岩 稳固性变化大，铜矿石品位高等特点，选择的采矿方法 为上向水平分层充填采矿法。设计中段高度6 0m ，分 段高1 0m ，顶柱高7m ，底柱高7m 。矿房沿走向划分 为几个小的矿房，先采奇 偶 数编号的小矿房，等分 层采至一定高度时胶结充填，后采偶 奇 数编号的小 矿房，再充填，依次采充循环。 2 基于正交设计的秩和E 随吲瞍喏连少l { 弼枣 2 ．1 三维有限元数值模拟 根据获各琦铜矿C uI 矿体的赋存特点，采 用F L A C 3 0 建立了三维实体模型，采场模型选用3 个矿 房2 个矿柱，矿体平均倾角为7 0 0 ，平均厚度为1 5m ， 沿矿体走向布置矿房，研究范围为6 2m 1 5m 8m 。 影响范围为开挖范围上下1 0 0m ，左右3 0m ，前 后6 0m 。模型大小为1 1 0m X1 8 9mx 2 0 6m 。模型上 部至地表2 6 4m 。模型上边界施加由地应力规律得到 的模型上表面所受垂直荷载，模型前后左右施加最小 和最大水平主应力，底边固定，考虑自重。网格采用六 面体单元，网格划分由外边界向开挖范围逐渐变密。 模型共有3 3 48 8 0 个单元，3 4 98 8 6 个节点。采用 M o h r ．C o u l o m b 准则来确定开采的应力、位移、可能出现 的破坏范围，以及矿房与矿柱的塑性屈服状态 笙[ 2 7 ，1 1 ] 寸0 岩体物理力学参数是根据矿区内不同的岩体分别 选取的，分为3 类顶板岩性 二云母石英片岩 ；含铜 矿岩 C uI 上条带状炭质石英岩 ；底板围岩 千枚 岩，黑云母石英片岩 。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 学参数进行了适当修正后获得比较接近岩体实际的力 学参数。根据G S I 岩体分类法及霍克布朗准则对岩石 力学参数进行折减得岩体力学参数，见表l 。 2 ．2 地应力测量 采用套孔应力解除法对井下17 5 0m 中段、16 3 0 m 中段和15 2 0m 中段共计5 个测点进行了现场地应 力测量旧J ，得到了获各琦矿区3 个主应力的大小、方位 和倾角等数据，见表2 。 表1 岩体力学参数 测点编号 埋深 最大主应力中哑圭空坦 曼尘圭瘗尘 ／m 大／| x ／M P a方位／ 。倾角／ 。大／| 、／M P a方位／ 。倾角／ 。大／J x ／M P a方位／ 。倾角／ 。 由表2 结果可知，获各琦铜矿地应力场以水平构 造应力为主，大致呈水平分布。通过最小二乘法对本 次所测的5 个测点的最大水平应力、最小水平应力和 垂直应力值进行线性回归，得出这些特征应力值随埋 深变化的关系式为 盯 一 0 ．4 1 0 ．0 4 0 8 H M P a 1 矿枷。 0 ．2 2 0 ．0 1 5 1 H M P a 2 盯 0 ．1 3 0 ．0 1 0 6 H M P a 3 式中盯。一，o r 。田i 。和吒分别为最大水平应力、最小水平 应力和垂直应力；H 为测点埋深，m 。 2 ．3 正交试验设计与模拟结果分析 根据该矿山多年的现场工作经验，矿房宽度一般 为8 ～1 4m ，矿柱宽度为6 1 0m ，控顶高度为6 ～8 m 。从安全的角度 应力和位移最小 出发，根据获各 琦矿区的岩体强度特性，采用三因素三水平正交试验， 计算出每种组合的相关指标，结果见表3 。 万方数据 第1 期周科平等秩和比法耦合数值模拟优化采场结构参数研究 3 2 ．3 ．1 位移分析由表3 可以看出，在开挖时矿房底 板出现底鼓现象，在顶板出现下沉现象，且下沉量随矾 房跨度的增加而呈增长趋势，随矿柱宽度的增加而减 小，以方案6 的沉降量最大，达到1 1 ．5 5m m ，以方案4 的沉降量最小，为8 ．3 7m m ；矿房两帮发生较大水平位 移，并且水平位移随矿房控顶高度的增加而增大，且随 跨度增加而增大，不过增量较小。9 个方案中方案9 的水平位移最大，达到2 3 ．2 9m m ，方案1 的水平位移 最小，为1 8 ．1m m 。矿房两帮水平位移比矿房竖向位 移大是因为最大主应力是来自水平方向的构造应力。 图1 为方案4 的位移等值线图。 ▲叠▲ 图1 方案4 位移等值线图 a 竖向位移； b 水平位移 萋i 2 ．3 ．2 应力分析由表3 可以看出，开挖矿房两帮是 最大拉应力集中区，不过均没有超过矿体的抗拉强度， 与常规不同，矿房顶部没有出现拉应力集中区，相反， 矿房顶部压应力比较大，最大拉应力随控顶高度增加 而减小，且随矿房跨度增大而减小，最大拉应力以方案 1 最大，为0 ．5 9M P a ；最大压应力随矿房控顶高度增加 而增大，且随跨房跨度增加而增大，不过增幅不大，最 大压应力以方案9 最大，为2 0 ．7 9M P a 。由方案9 该 方案塑性破坏最严重 塑性区图 见图2 可以看出，矿 房顶部有被剪切破坏的趋势，两帮不但出现剪切破坏 还出现拉伸破坏。这是因为最大主应力是来自水平方 向的构造应力。方案4 的应力等值线图见图3 。 图2 方案9 开挖部位塑性区 C a F I t 一轴tj ，o 隧i 蓊 b 。嚣恕竺．二” 图3 方案4 应力等值线图 a 最大拉应力； b 最大压应力 飘芸量熬懑嚣鼍警辫糕溪署融沏惹渺蓬薹瞄滁萋一感蕊 万方数据 4 矿冶工程第3 3 卷 厂1 5 ／45 ／2 1 0 ／9 ] s I 4 ／515 ／37 ／1 0 f l2 ／5 3 ／51 1 ／2l L 9 ／1 01 0 ／721 J 采用大矿房、小间柱的布置形式，会提高充填成本，所 以在安全的前提下，从经济的角度考虑，矿房尺寸应该 取小值，减少矿房充填费用，方案4 也符合。所以推荐 采用方案4 的尺寸组合。 3 结论 1 在以水平方向的构造应力为主的地应力情况 下，矿房两帮出现最大位移和最大拉应力，位移随控顶 高度增大而增加，随矿房跨度增大而增加，但增幅不 大；拉应力随跨度增大而减小，随控顶高度增大而减 小；矿房顶板出现沉降和最大压应力，位移没有两帮的 水平位移大，且位移随矿房跨度增大而增加，随矿柱宽 度增大而减小。最大压应力随控顶高度增加而增大， 且随矿房跨度增大而增加，但增幅不大；矿房两帮出现 由剪切和拉伸破坏引起的塑性区，顶板出现由剪切破 坏引起的塑性区。 2 通过数值模拟，从安全的角度出发，采用R S R 法对各方案进行优先，结果显示，采用控顶高度7m ， 矿房跨度1 0m ，矿柱宽度1 0m 的参数组合安全性 最好。 参考文献 [ 1 ] 李学锋，谢长江．深部高应力区采场结构参数优化研究[ J ] ．矿 冶工程，2 0 0 4 ，2 4 6 1 1 1 4 ． [ 2 ]刘晓明，罗周全，张保，等．上向分层回采采场稳定性数值模拟 研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 4 1 0 1 3 ． [ 3 ]叶海旺，常剑，周磊．基于F L A C 3 D 的采场结构参数优化[ J ] ． 金属矿山，2 0 1 0 1 2 6 8 ． [ 4 ]陈庆发，周科平，胡建华，等．碎裂矿段开采与空区处理协同研究 [ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 1 0 ，4 1 2 7 2 8 - 7 3 5 ． [ 5 ] 杨官涛，李夕兵，程刚．地下采场结构参数数值模拟研究[ J ] ． 矿冶工程，2 0 0 6 ，2 6 5 1 3 1 5 ． [ 6 ]韩志型，王宁．急倾斜厚矿体无间柱上向水平分层充填法采场 结构参数的研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 7 ，2 8 2 3 6 7 3 7 0 ． [ 7 ]王新民，王长军，张钦礼．基于A N S Y S 程序下的采场稳定性分析 [ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 8 1 7 2 0 ． [ 8 ] 潘一山，唐治，阎海鹏，等．大安山煤矿地应力测量及数值模拟分 析[ J ] ．煤炭学报，2 0 L O 8 4 9 5 2 ． [ 9 ] 石安，阎正民，李小洪．T O P S I S 法与R S R 法相结合评价医院的 综合医疗质量[ J ] ．现代预防医学，2 0 0 8 ，3 5 8 1 4 6 7 1 4 6 9 ． [ 1 0 ]王新民，赵彬，张钦礼．基于层次分析和模糊数学的采矿方法 选择[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，3 9 5 8 7 5 8 8 0 ． [ 1 1 ] D a iHY ，W a n gJz ，C a iMF ，e ta 1 ．S e a md i pa n g e lb a s e dm i n i n g s u b s i d e n c em o d e la n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u m a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e s ，2 0 0 2 ，3 9 1 1 1 5 1 2 3 ． 万方数据