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某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析
2016-01-12
利用FLAC3D软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进行了稳定性分析,得 出硐室围岩松弛区范围、监测点的位移变化规律及支护结构的内力值。结合硐室稳定性经验判据, 对硐室支护前和支护后进行了稳定性的量化判定,可为硐室开挖和支护参数设计提供参考。
Serial No. 560 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 总第 560期 December. 2015 MODERN MINING 2015 年 12 月第 12 期 某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析 赵春涛 中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司) ( 3 D ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 利用 FLAC 软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进行了稳定性分析, 得出硐室围岩松弛区范围、监测点的位移变化规律及支护结构的内力值。 结合硐室稳定性经验判 据,对硐室支护前和支护后进行了稳定性的量化判定,可为硐室开挖和支护参数设计提供参考。 3 D 关键词ꢀ 大型硐室ꢀ 稳定性ꢀ 数值分析ꢀ 监测点位移ꢀ 支护参数ꢀ FLAC ꢀ ꢀ 当前冶金矿山领域地下硐室支护设计多以工程 1-2] ,但对于非常规的大型硐室而言,由于 表 2ꢀ 硐室稳定判据 [ 相对位移/ % 类比为主 围岩塑性区或松弛区 围岩级别 硐室埋深/ m 工程条件的差异,工程类比的可靠性较差。 数值分 析技术可提供有效的量化分析结果,为硐室开挖和 支护条件下塑性区或松弛 区为贯通、硐周塑性区或松 弛区深度不超过硐室跨度 的 0. 6 倍,围岩整体稳定 50 ~ 300 < 50 >300 Ⅲ [ 3-4] 3D 支护提供数据支持 。 为此,本研究基于 FLAC 0. 1 ~ 0. 3 0. 20 ~ 0. 50 0. 40 ~ 1. 20 软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进 次开挖。 根据对称性,取半模型进行计算,物理模型 见图 2,硐室中部应力等值线见图 3,硐室中部位移 等值线见图 4。 行稳定性分析。 1 ꢀ 项目概况 张家湾铁矿地下选厂立磨硐室,硐室断面形式 为直 墙 圆 弧 拱, 规 格 82 m × 23 m × 31 m, 直 墙 高 24 m,硐室埋深 500 m,硐室为特大型硐室,几何 模型见图 1。 硐室开挖影响范围内的围岩中等稳 定,物理力学参数见表 1。 图 2ꢀ 硐室物理模型 由图 3、图 4 可知:①硐室边墙塑性区和应力松 弛区深度达 17 m,为硐室跨度的 74% ,大于经验判 据的 60% ,边墙不稳定,发生垮塌的可能性极大;② 由于边墙为分部开挖,最大位移点向边墙中下部和 中上部转移,约 40 mm;③拱部应力松弛区约 10 m, 为硐室跨度的 43% ,拱部稳定性较差。 图 1ꢀ 硐室几何模型 表 1ꢀ 围岩物理力学参数 容重 变形模量 泊松 内摩擦角 黏聚力 体积模量 剪切模量 3 / (kN/ m ) / GPa 比 / (°) / MPa / GPa / GPa 2 3 8 0. 3 39 0. 7 5 2. 3 2 . 2ꢀ 硐室开挖及支护过程数值分析 2 ꢀ 数值分析 3D 根据毛硐分析结果拟定支护形式为锚喷+局部 基于 FLAC 软件,采用 Mohr-Coulomb 模型作 [ 5-8] 预应力锚索支护。 锚杆为 ϕ28 mm 砂浆锚杆,间排 距 1. 2 m,长 6 m。 边墙中上部布置 ϕ15. 2 mm 钢绞 线锚索束,间排距 4 m,长 16 m,锚固长 8 m。 喷射 混凝土厚 250 mm,锚杆及预应力锚索采用 cable 单 元模拟,喷层采用 shell 单元模拟,力学参数见表 3, 喷射混凝土力学参数见表 4。 为岩体本构模型 ,硐室稳定性判据见表 2。 2 . 1ꢀ 毛硐稳定性数值分析 毛硐在不支护的条件下,按自上而下的顺序分 次开挖进行稳定性分析,拱部1次开挖,边墙分2 3 ꢀ ꢀ 赵春涛(1983—),男,工程师,硕士, 066004 河北省秦皇岛市经 济技术开发区龙海道 71 号。 1 76 ꢀ ꢀ 赵春涛:某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年 12 月第 12 期 图 4ꢀ 毛硐室中部位移等值线(单位:mm) 图 3ꢀ 毛硐室中部应力等值线(单位:MPa) 表 3ꢀ 预应力锚索力学参数 弹性模量 黏结力 剪切刚度 GPa / (kN/ m) / (GP / m) 00 400 面积 抗拉力 / kN 预紧力 / kN 2 / / m 2 6 0. 001 53 2 000 1 500 表 4ꢀ 喷射混凝土力学参数 弹性模量/ GPa 泊松比 厚度/ mm 标号 C30 3 0 0. 2 200 ꢀ ꢀ 施工过程:首先施工拱部,然后向下分 3 层施工 边墙,单次掘进进尺 15 m,开挖支护共 20 步,锚喷 支护紧跟工作面,锚索待各层开挖完毕后安装。 施 工过程中对危险点位移进行了监测,点位位置及监 测结果分别见图 5、图 6。 硐室开挖完成后二次应力 分布及支护结构的部分数值分析结果见图 7。 图 5ꢀ 硐室位移监测点位置 由图 7 及相关模拟结果可知:①支护后边墙松 弛区约 8 m,松弛区范围减小,约为跨度的 38% ,拱 部最大位移 30 mm,边墙最大位移 22 mm,均处于安 全范围内;②锚索轴力 1 430 kN·m,未超过其设计 抗拉力,锚索安全,拱部锚杆最大轴力 143 kN·m, 边墙局部锚杆超过了拉力设计值;③喷层最大轴力 图 6ꢀ 位移与开挖步关系曲线 # # # # ◆ —1 点; —2 点; —3 点; —4 点 ■ ▲ ● 于拱部与边墙墙角处,为 12. 5 MPa,未超过喷层抗 压强度的设计值,喷层安全;④边墙局部锚杆出现了 滑移,因锚喷支护紧跟工作面,使围岩应力未得到一 9 15 kN·m,最大弯矩 91. 6 kN·m,最大压应力发生 1 77 总第 560 期 现代矿业 2015 年 12 月第 12 期 3 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)在不支护的工况条件下,硐室稳定性差,边 墙片帮,拱顶可能发生小规模的冒顶和掉块。 2)采用锚喷+预应力锚索支护且采用分步开 ( 挖、分步支护的工序时,硐室稳定性得到了改善,围 岩松弛区明显变小。 ( 3)通过对喷层和预应力锚索模拟分析,得出 了支护结构的安全度,喷层、锚索即大部分锚杆内力 均未超过设计值,局部锚杆发生滑移,需对施工工序 进行进一步优化设计。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质 量监督检验检疫总局. GB 50830—2013ꢀ 冶金矿山采矿设计 规范[S]. 北京:中国计划出版社,2013. [ [ [ [ [ [ [ 2]ꢀ 邹喜正. 煤矿巷道围岩稳定性分类[M]. 徐州: 中国矿业大学 出版社,1995. 3]ꢀ 刘ꢀ 波,韩彦辉. FLAC 原理、实例与应用指南[M]. 北京:人民 交通出版社,2005. 4]ꢀ 梁海波,李仲奎,谷兆祺. FLAC 程序及其在我国水电工程中的 应用[J]. 岩石力学与工程学报,1996(3):225-230. 5]ꢀ 徐干成,郑颖人. 岩石工程中屈服准则应用的研究[J]. 岩土工 程学报,1990(1):108-111. 6]ꢀ 刘ꢀ 琳,王志国,艾立新,等. 基于 FLAC 数值模拟的边坡稳定 性分析[J]. 现代矿业,2014(3):62-64. 7]ꢀ 姬志勇,闫永赋,豆ꢀ 昆. 锚杆设置方式对白云矿边坡稳定性 的影响[J]. 现代矿业,2014(1):94-96. 图 7ꢀ 硐室中部应力等值线(单位:MPa) 8]ꢀ 吴ꢀ 姗,宋卫东,张兴才,等. 全尾砂胶结充填体弹塑性本构模 型实验研究[J]. 金属矿山,2014(2):31-35. 定程度的释放,因此实际锚杆轴力应小于计算值,边 墙端部最大轴力 169 kN·m,锚杆安全。 (收稿日期 2015-09-15) ꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁ ( 上接第 160 页)围岩体的基本质量级别为Ⅱ级,洞 能力较好,一般情况下,矿柱承载力安全系数大于 1 (较安全),但遇到断层、破碎带时应留有足够厚的 保护矿柱。 径 10 ~ 20 m,可稳定数日到 1 个月。 因此,对于开 采厚度不大的矿体,围岩的自稳性较好,要求做好安 全放矿工作;但在与蚀变闪长岩与矽卡岩的正接触 带地段,回采过程中应注意防范发生冒顶事故。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 王强志,高永涛,吴顺川,等. 基于综合安全系数的强度折减法 的改进[J]. 金属矿山,2015(7):43-47. ( 2)矿柱承载力。 在矿山下部矿段开采矿柱承 载力分析中,应将上部矿岩及土的自重作为地压考 虑,经计算,矿柱承载力安全系数为 1. 78,较安全。 2]ꢀ 杨家冕,刘人恩,王ꢀ 星. 数值模拟在分层充填法采场参数选 择中的应用[J]. 金属矿山,2013(3):29-31. 4 ꢀ 结ꢀ 论 [3]ꢀ 张月征,纪洪广,侯昭飞. 基于莫尔ꢂ库伦强度理论的岩石冲击 危险性判据[J]. 金属矿山,2014(11):138-142. ( 1)中段高度为 50 m 时,若矿房较宽,塑性破 [ 4]ꢀ 钟ꢀ 刚,韩方建. 平水铜矿采空区稳定性数值分析[J]. 金属矿 山,2004(3):8-10. 坏域的面积过大,采空区可能发生较大范围的冒落 和塌陷。 因此,矿房宽度、采空区暴露面积不宜过 大。 ( 收稿日期 2015-09-07) ( 2)采场稳定性分析表明,岩体质量、围岩自稳 1 78
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