露天转地下开采次生应力场的有限元模拟研究.pdf

4 铜 业 工 程 2 0 0 3 N o 3 文 章 编 号 1 0 0 9 3 8 4 2 2 o 0 3 0 3 一 o 0 0 4 0 6 露天 转地下开采次生应 力场的有限元模拟研究 陈 茂 林 尹 小鹏 。 张 世 雄 1 、 武汉理 工大学 ； 2 、 武 汉钢铁 集团矿业有 限责任公 司 摘要露 天转地 下 开采是 采掘 业发展 的 趋势之 一 。 受露天 开采 的影响 ， 在 露 天坑 周 围岩 体 已形 成较 大 范 围 的 次生应 力 场 ， 应力 变化 以压应 力释放 为主 ， 局部 产 生应 力 集 中； 在 此 基 础上 进 行 地 下开 采 ， 将 形 成更 为 复 杂的 次 生应 力 场 。大冶铁 矿露 天转 地 下的首采 矿段 是位 于露 天边坡 内的 挂帮矿 体 ， 情 况特 殊 。本 文运 用三 维有 限 元数 值 模拟 的 方法研 究 了首采 矿段 西部 从 一2 4 m 至 一4 8 m 高程 内三个 分段 开挖 所 引起 的新 的次 生 应 力场 的 变化 规律 ， 表 明矿 岩体 应 力进一 步释放 ， 其破 坏机 理 以受拉 破坏 为 主 ， 压 应 力集 中通常 不造 成对 岩体 的 破 坏 ， 圈定 了可能 出现破 坏 的范 围 ， 提 出 了相应 的安 全技 术措 施 。 为矿 山安 全 生产提 供 了科 学的指 导 。 关 键 词 露天 转地 下 开采 次 生应 力 有 限元破 坏机理 中 图 分 类 号 TD8 5 3 TB 2 4 文 献 标 识 码 A 1 引言 在世界范围的工业化 与现代化进程 中， 适 于露天 开 采 的矿 山已越来越 少 ， 露天 矿 转 入地 下 开采 ， 已成 为 采 掘业 发展 的趋势 之一 。在 1 9 7 0年 1 9 9 0年 间 ， 西 方 国家的 矿山 总数从 1 0 2 0座 增 加 到 1 2 0 0座 ， 增 加 了 1 7 ． 6 ， 而 露天 转地 下的矿 山从 4 8座增 加 到 9 8座 ， 增 长 了 1 0 4 ， 有色 金属 矿 山更 是 增 长 了 3 1 7 [ 1 ] 。我 国 的重 点铁矿 山多建于上世纪 5 0 6 0年代， 多数已进入深凹 开采 ， 也面 临转入 地下 开采 的问题[ 2 ] 。 各个 国家对露天转地下开采需求的迫切程度是不 同 的 。拥 有大 量优 良矿产 资 源 的 国家 如美 国 、 加拿 大 、 澳大 利亚 、 巴 西 、 南 非 等 ， 露 天 转 地 下 开 采 的 矿 山 只 占 3 ～5 ； 而资 源有 限 的 国家 如 法 国 、 芬 兰 、 希腊 、 土耳 其 等 ， 则 达 3 3 ～5 0 9 ， 6 。 露 天 开采 时 期 的 大 规 模 开 挖 ， 在 露 天 坑 周 围岩 体 巴形 成较大的应力扰动 ， 以压应力 释放 为主， 局部 产 生 应 力 集 中 ； 在 此 基 础 上 进 行 地 下 开 采 ， 将 形 成 更 为复 杂的次生应 力场 ， 引起 围岩的进 一步 变形 和破 坏 ， 甚至 出现象 白银 有色 金属公 司露天 转 地下 时的 边坡 滑落失稳 、 斜坡道变形 、 井 下巷道破坏 等地压灾 害 副。 大 冶 铁 矿 经 过 1 0 0多 年 的 机 械 化 露 天 开 采 ， 已 形成垂高 4 2 8 m 的 高 陡边 坡 ， 正 在 转 入 地 下 开采 。 转入地下开采的首采 地段是位于露天坑边坡内的挂 帮 矿 体 ， 是 一 种 罕见 的情 况 。它 的 开 采 ， 必 然 进 一 步 削弱高陡边坡坡脚的稳定性 。 在 地 下 开 采 过 程 中 ， 矿 山 工 程 技 术 人 员 不 能 判 断 究竟 会 出 现何 种程 度 的地 压 活 动 。为 了 保证 生产 的 安 全进 行 ， 武 汉 理 工 大 学 与 大 冶 铁 矿 联 合 开 展 了 科 技攻 关 。 2 地 质 与工 程概 况 铁 山矿床 位于铁 山复式背 斜 的北 翼 ， 铁山侵人 体 南缘 的 中 段 。该 侵 人 体 由燕 山期 多 次 岩 浆 活 动侵 入 的中酸性 闪长岩体组成 ， 有 中细粒含石英闪长岩 、 黑 云母 透 辉 石 闪长 岩 、 正 长 闪 长 岩 和 斑 状 含 石 英 闪 长岩 。出露地层 主要 为三 迭系 下统 大冶群 灰岩 ， 距 接触带 l k m 范围 内的灰 岩 已变 质为 大理 岩或 白云 质 大 理 岩 。 铁山矿床从 东 往西 顺 序 由尖 山 、 狮 子 山 、 象 鼻 山、 尖林 山、 龙洞和铁 门坎 6个矿 体组 成 ， 矿 床 总体 走 向北 西 西 ， 长 5 k m， 宽 2 0 m～ 1 2 0 m。矿 体 的 形 态 与产状受接触带产状和成矿前 断裂条件等的联合控 制 。露 天 转 地 下开 采 的对 象 为 狮 子 山 、 尖 山 一 1 6 8 m 收稿 日期 2 0 0 3 0 7 0 1 作 者简介 陈茂 1 9 8 0 -- ， 男， 湖北 溪水人 ， 学士 ， 从 事矿物 资源 工程 、 桥 梁 、 隧道和 地铁 等方 面科研 工作 。 维普资讯 2 0 0 3 N Q 3 陈茂 林 、 尹 小 鹏 、 张 世 雄 露 天 转地 下 开 采 次 生应 力 场 的 有 限元 模 拟 研 究 5 标高 以上露 天采场境界 外的矿 体 。 狮子 山矿 体呈北 西西 向分 布 ， 走 向长 4 3 0 m， 矿体 形 态与产状 变化较 大 ， 主 要呈 透镜 状 、 楔 状 、 不规 则状 。尖 山矿体呈北 西 向分布 ， 走 向长 9 2 0 m， 矿体形 态 以似层状 、 透镜状 、 囊状、 不规则状为主， 产状变化较大。 矿体 北侧 围岩主要 为 中细粒含 石英 闪长岩 、 矽 卡岩 、 黑云母 透辉石闪长岩 、 钾 钠 化 闪长岩及 闪长 玢 岩等。矿体南侧 围岩主要 为大 冶群 灰岩 ， 近 接触 带部分 由于强烈 的渗 滤交代 作用 ， 大理 岩变质 为透 辉石矽卡 岩或金 云母 透辉石矽 卡岩 。 东 露 天 采场 深 部矿 体及 围 岩 的 稳 固性 可 分 为 三 个 等级 稳定 区 采场南侧大理 岩 、 北帮未经蚀变 的 闪 长岩 体 ， 原 生 带 磁 铁 矿 ； 较 稳 定 区 一 般 蚀 变 闪长岩； 不稳定 区 蚀 变强烈 和节 理裂 隙发 育 的 近矿闪长岩 ， 断层破碎带 。 尖山矿体露 天开采 至一1 6 8 m 标 高， 已结束 露天 开采 。狮子 山矿体露天开采至 一4 8 m标高 ， 随后用剥 离废石 回填至O m标高。大冶铁矿露天转地下开采 的首 采 段正 是 从 一 4 8 m 到 一 2 4 m 三 个 分 段 的 挂 帮 矿 体， 它们的侧 面是充填废石 ， 上方是高陡边坡 。 3三维 有 限元 模 型 的建立 3 ． 1模 型 的几 何 尺寸 与 特 征 Z 图 1 三维 有限 元计 算模 型 图 计算 模 型 为 一 正 交 六 面 体 ， 如 图 1所 示 。Z轴 为 铅 垂 方 向 ， X、 Y 轴 为 水 平 方 向 ， 模 型 在 三 个 轴 向 的尺寸分别 为 7 2 m、 5 0 0 m、 3 0 0 m。在 Z方 向上单元 的高度 为 1 2 m， 在 X 和 Y方 向单 元 的尺 寸分 别 为 6 ． 2 5 m 和 5 m， 共有 2 8 8 0 0个单元 ， 3 4 5 8 7个节点 。 在模型的一个 XZ外表面施加 Y方 向的位移 约 束 ， 并 限制其 转动 ； 另 一个 XZ外表 面施 加 外 载荷 。 模型的 YZ外表 面的约束 与加 载处 理 和 XZ外表面 相似 。模型底面受 Z方 向的位移 约束 ， 并 限制其转 动 ， 上 表面施 加外载荷 。 根据矿 床及 其上 下盘 的实际情况 ， 赋 予各个单 元 不 同岩 体 的 物 理 力 学 特 性 。 一 2 4 m 首 采 段 开 挖 后 ， 该 层单元 的情 况见 图 2所示 。 图 2 2 4 m 水平 首采 段开挖 后 的情况 示 意图 3 ． 2岩 体 力 学 参 数 的选 取 根据现场调 查和测试确定的岩石和岩体的物理 力 学 参 数分 别 见 表 1和 表 2所 示 。 表 1矿 岩的 物理 力学 性质 表 2 岩体 物 理力 学参数 表 维普资讯 本文共6页，欲获取全文，请点击链接 的“下载全文”按钮下载全文，您也可以登录维普官网（）搜索更多相关论文。