民采空区地压数值模拟稳定性分析.pdf

第19卷 第6期 山 东 理 工 大 学 学 报自 然 科 学 版 Vol. 19 No. 6 2005年11月 Journal of Shandong University of TechnologySci RFPA’98 ;数值模拟;稳定性分析 中图分类号 TD325 . 3文献标识码 A Numerical simulation and analysis of steability on the mined2out area LI Jin2feng , WANGJie , ZHANG Xiao2jun School of Resources and Environment Engineering ,Shandong University of Technology ,Zibo 255049 , China Abstract According to the way of dealing with the mined2out area in Majuan mine area of Luanchuan of Henan province ,we carry out a series of numerical simulation and stability a2 nalysis by the software RFPAπ98. We do the simulation in three different conditions. After calculation ,we draw the brocken process of roof baseplate ,and ore pillar. Then we can know the dangerous point and it can give us the standard to forecast the dangers. Key words mined2out area by villagers; RFPA’98; numerical stimulation; analysis of stability 河南省栾川县是我国主要的钼钨资源基地,总地质储量达20Gt ,名列亚洲第一,世界第三.但是,由 于多年民间的乱采滥挖,从而遗留了大量的采空区,在横1线～横5线钼矿品位较高的地段,民采空区 上下重叠,左右贯通,形态复杂,容积达上百万立方米. 根据民采空区现场调查,横3线～横5线1 322水平的民采采场,1 344水平以上的矿柱均已冒落, 并已塌落到地表.在1 300～1 246水平存在9个民采采场空区,其中4 101～4 104民采采场空区间的矿 柱已崩落. 栾川钼矿民采空区处理,采用深孔和硐室爆破相结合来崩落处理采空区.在采空区处理过程中,为 了掌握民采空区自身的稳定状态和空区处理后的应力对周围区域的影响程度,找出采空区处理过程中 自身的潜在不安全隐患,需要对空区进行稳定性分析. 收稿日期 20050701 作者简介李金凤1983 ,女,硕士研究生. 1 模型的建立 地压数值模拟,一般采用通过已知条件确定边界控制条件,通过模拟得出应力、 位移和塑性区变化 后的情况,来分析空区围岩的稳定性[1];而本文是从岩体自身的内在特征和物理力学性质角度,通过其 在加载位移逐渐变化过程中的破坏过程来验证采空区顶底板、 矿柱的稳定性.也就是说,通过设定岩体 自身的内在特征参数和空间形态,应用岩石失稳软件,研究在不同载荷和位移条件下矿岩的破坏过程, 从而确定岩石遭到破坏时的载荷、 应力和声发射破坏状态;同时确定矿岩首先发生破坏的点,即岩体薄 弱点.根据所获得的破坏载荷和位移,与现场监测的地压数据进行对比,并以此作为岩石是否失稳的依 据.因此,我们选用了东北大学岩石破裂与失稳研究中心研制开发的RFPA’98软件系统进行民采空区 地压数值模拟稳定性分析[2]. 由于民采空区面积大、 分布宽、 无规则,空区情况非常复杂.为了所建模型的物理参数和破坏过程能 够和实际情况更贴近,根据不同情况进行多次网格划分并进行模拟分析进行比较,选定最佳的模型[3]. 数值模拟分析计算所用的有关岩石的物理力学参数见表1. 表1 岩石的物理力学参数表 物理力 学性质 弹模/ MPa 泊松比 内聚力/ MPa 摩擦角/ 体重/ tm- 3 抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa δc/ MPa 数值80 0000. 2214503. 218216182. 16 2 数值模拟过程 2. 1 4 101～4 102空区的数值模拟 根据现场实际情况,选择典型剖面A - A剖面图进行数值模拟.其数值模拟时,经过几组模型模 拟的比较,确定最佳网格划分为100110 ,无侧压约束,在y方向上有位移加载,每步加载0. 001mm ,结 束值为0. 01mm ,总加载步设为10步. ① 采用连续运算所得的岩石加载剪应力部分模拟结果如图1～4所示. ② 岩石加载声发射模拟结果如图5～8所示. 01山 东 理 工 大 学 学 报自 然 科 学 版2005年 ③ 岩石加载步骤与Y向载荷、 声发射能量、 声发射次数的关系如图9～11所示. 图11 声发射次数与加载步关系图 2. 2 4 105～4 106空区的数值模拟 4 105～4 106空区的数值模拟采用的是典型剖面 B 2B剖面图 进行建模的,确定最佳模型的网格划分为120100 ,采用位移加载, 初始步加载0. 002mm ,每步加载0. 002mm ,总加载步设为10步,则 结束值为0. 02mm.采用连续运算.为了和第一次模拟比较,我们在 模型中对矿房预先进行下向长锚索支护,其弹模取90GPa ,强度取 200MPa ,泊松比取0. 22 ,摩擦角取30.计算所获得的结果详见图12～14. 2. 3 顶板形状变化的数值模拟 对于民采空区,其顶板有可能已发生局部的冒落,并形成拱形.为了分析在这种情况下民采空区的 稳定性,我们还进行了顶板形状变化的数值模拟.其结果如图15～17所示. 11第6期 李金凤,等民采空区地压数值模拟稳定性分析 2. 4 采空区处理后对横3线以西现有采场的数值模拟 由于横3线以西采场已经存在,所以进行数学模拟时,所有采场空间一次开挖成型.针对典型剖面 C 2C剖面图所示采场的布局及各参数,得最佳网格划分为140110.对于4 108～4 110采场的底部 结构忽略.计算结果如图18～20所示. 图20 声发射次数与加载步关系图 3 模拟结果分析 1由4 101～4 102空区在A2A剖面的数值模拟的剪应力图和 声发射图可知,在不使用任何支护措施的情况下,Y向载荷加载过程 中,破坏是先从顶板开始,然后才是所留矿柱开始破坏.而矿柱的破 坏,直到位移达到0. 004～0. 005mm时出现这种情况,即加载步第4 步和第5步之间时,矿柱才开始出现破裂.最大压应力出现在加载第7步,数值为184MPa ;最大拉应力 出现在加载步第5步,数值为92. 5MPa. 由剪应力图可知,空区周围岩体的剪应力分布有一定的规律,顶板上部有明显的拉应力集中区,基 本呈拱形向上分布;在间柱及顶板拐角处有明显的压应力集中区.破坏裂隙随着载荷加载而增多.最大 剪应力为183MPa. 在声发射图中,我们更易看出岩体的破坏过程和由于什么性质的力而破坏.通过声发射能量与加载 步关系曲线和声发射次数与加载步关系曲线图,我们知道加载步进行到第5步时,产生的破坏裂隙最 多,声发射次数多达170多次.从第8步和第9步声发射次数和能量的悬殊可以得出矿房在加载步第 8步结束时空区岩体已经垮掉了.因为,空区岩体在加载过程中所获得的能量在第8步之前就以声波的 方式释放出去了. 2由声发射图我们很容易就看到,在对空区顶板预先进行下向长锚索加固之后,破坏则从矿柱开始. 由剪应力图可以看出,加载过程中空区周围岩体中的应力分布规律和4 101～4 102空区的分布规 律相似,只是由于破坏先从矿柱开始,然后是底板,然后是没有被锚固的矿柱上部岩石. 根据声发射能量和次数与加载步关系,在加载步第5步声发射次数最大约为160次,而能量多在加 载步第6步释放.可以更详细地描述为在加载步第5步及之前产生的裂隙很多,但都是细微破裂;而在 第6步大量的声能量突然放出,破坏程度很严重.在第7步时,声发射次数和能量递减,第8步发生骤 减,可断定在加载步第7步时空区已发生垮落. 3当矿房顶板呈拱形时,破坏先从拱顶和底板开始.在拱角处应力分布比较均匀,而在拱顶及底板 21山 东 理 工 大 学 学 报自 然 科 学 版2005年 拐角处出现应力集中现象.从加载步第7步的剪应力图显示矿柱破坏及矿房底板拐角处破坏严重,可见 加载过程中,矿柱承载大部分的压力.而压应力最大达到244MPa.我们可以得出这样的结论在其他条 件不变的情况下,空区形状对空区的稳定有一定的影响.当空区顶板形成自然平衡拱形时,应力就能均 匀分布,可避免产生应力集中现象,有利于空区顶板的稳定. 4在空区处理后,横3线以西现有采场4 108～4 110和4 106以及4 102～4 104采场在C2C剖面 的模拟可以看出,空区周围岩体的应力分布与 ⑴ 中所述相似,在间柱和空场拐角处有应力集中现象. 由声发射能量与加载步关系曲线图可以看见,加载步第5步和第8步声发射能量突然增加,可说明 空场分两次塌落.由Y向载荷与加载步关系曲线可以说明在这之前空场已破碎不堪.因此,我们要考虑 控制横3线以西现有采场所承受的载荷和应力状态. 4 结 论 本文模拟分析细致考虑了空区顶板可能变形的情况、 对空区顶部进行预支护、 对矿柱进行预加固几 种情况.通过对3个方面的破坏过程对比分析得出以下结论 1空区在加载过程中易从顶部破坏,而且应力集中比较严重,破坏比较容易. 2在对顶板进行预支护之后,载荷绝大部分由矿柱承担,顶板的强度比较大,所以破坏先从矿柱开 始. 3拱形顶板的空区在加载过程中应力分布比较均匀. 4为了使采空区处理后,保证其他区域采场的稳定,维持矿山生产经营的持续正常进行,我们要考 虑控制横3线以西现有采场所承受的载荷和应力状态,使其不超过极限值,或对采场进行预加固等安全 技术措施. 参考文献 [1]于学馥,郑颖人,刘怀恒,等.地下工程围岩稳定分析[M].北京煤炭工业出版社,1998. [2]唐春安,赵 文.岩石破裂全过程分析软件系统RFPA[J ].岩石力学与工程学报,1997 ,165 5072508. [3]朱湘平. 131矿体采空区顶板稳定性研究[J ].金属矿山,2003 ,9 13215. 31第6期 李金凤,等民采空区地压数值模拟稳定性分析