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某铁矿充填法开采的有限元分析
2019-02-18
针对某矿山开采后稳定性受影响的问题,对矿体进行了三维弹塑性有限元分析研究, 模拟了某铁矿原崩落开采及拟采用的充填法开采的过程,得到隔一采一全留矿石矿柱时所留的矿 柱稳定,采高60 m 时充填体稳定性较好,不同矿房矿柱尺寸时充填体内的屈服破坏区在较小尺寸 时较小或没有,最后得出了优化的采场结构参数。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 某铁矿充填法开采的有限元分析 1 ,2 王花平 ( 1. 北京矿冶科技集团有限公司;2. 北京国信安科技术有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对某矿山开采后稳定性受影响的问题,对矿体进行了三维弹塑性有限元分析研究, 模拟了某铁矿原崩落开采及拟采用的充填法开采的过程,得到隔一采一全留矿石矿柱时所留的矿 柱稳定,采高 60 m 时充填体稳定性较好,不同矿房矿柱尺寸时充填体内的屈服破坏区在较小尺寸 时较小或没有,最后得出了优化的采场结构参数。 关键词ꢀ 结构参数ꢀ 三维弹塑性ꢀ 有限元ꢀ 充填法 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 020 ꢀ ꢀ 地下工程的采动必将影响到覆盖岩体及地表的 填开采的各阶段过程,并可实现计算结果的彩色打 印且生成的文本文件可为其他应用程序所调用。 变形,目前对矿山岩体采动影响的评价方法有类比 法、弹性力学分析方法、相似模拟试验方法、数值模 拟方法和现场观测方法。 数值模拟方法因其通用性 强,可以模拟各种复杂情况,方便灵活,易于修改,能 反复进行试验,并且相对耗资少,在工程界得到了广 泛的应用。 在岩土工程中所用的数值模拟方法先后 有有限差分法、有限单元法、边界单元法、半解析法、 离散元法和无界元法,还有限元与边界元的耦合等。 这些方法中有限单元法因其在模拟多种介质的非均 性、工程开挖、充填及支护等方面的灵活性,在处理 复杂结构、复杂边界及载荷条件方面显示出的独特 性,在数值模拟实用分析技术中起着主导作用,广泛 2ꢀ 力学模型与边界条件 2. 1ꢀ 分析模型 由于某铁矿Ⅳ号磁异常区的范围较大,矿体的 延伸长度较长,且矿体水平厚度的变化较大,从几米 到约 120 m 不等。 因此,根据某铁矿的工程地质、矿 体几何形态及岩石力学参数的试验简化分析,以矿 体最为厚大的剖面为分析计算的剖面(见图 1),采 用三维弹塑性有限元方法模拟该矿的充填采矿过程 与覆岩受采动影响的程度。 根据该剖面的工程地 质、岩性、矿体的分布,按表 1 矿房、矿柱采场的结构 参数依次平行相连形成三维结构体,所形成的有限 元网格模型见图 2,其中模型的中部为要研究的 4 个矿房 3 个矿柱的区域。 [ 1-2] 地用于工程分析的各个领域 。 某铁矿原采用崩落法开采,现拟采用充填法开 采。 为反映崩落开采时对上覆岩层受采动的影响程 度、充填开采时围岩及充填体的稳定性状态、优化选 取充填开采的采场结构参数,采用三维弹塑性有限 元法进行分析。 1 ꢀ 分析计算程序的特点 选择日本软脑公司出品的 3D-σ 三维有限元程 序分析,其采用图形界面操作,从作图到分析结果的 整理、打印以及在线提示说明等均在一个封闭的集 成优化设计系统中完成,可进行构筑物的各步骤开 挖、回填、锚杆支护等弹塑性分析以及热应力与地震 力的分析计算。 完全可以模拟某铁矿分段崩落与充 图 1ꢀ 地质剖面 表 1ꢀ 研究模拟的不同采场结构参数 m 矿房尺寸 矿柱尺寸 阶段高度 备注 14 14 14 20 20 20 18 25 60 120 60 参数Ⅰ 最新设计参数 ꢀ ꢀ 王花平(1983—),女,工程师,100160 北京丰台区南四环西路 60 参数Ⅱ 188 号总部基地十八区 23 号楼。 9 0 ꢀ ꢀ 王花平:某铁矿充填法开采的有限元分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 第二不变量;α、k 为与材料内摩擦角 Φ 和黏聚力 c 有关的材料系数,其计算式为: 2 sinΦ α = 3 3 (3 + sinΦ) . (2) 6 ccosΦ k = (3 + sinΦ) ꢀ ꢀ 采用最大拉应力判据,结合 Drucker-Prager 屈 服准则来确定矿体开采可能出现的最大裂隙带高度 以及屈服破坏区,以此来确定某铁矿采用充填法开 采时采场、充填体及其围岩的应力位移规律。 图 2ꢀ 某铁矿三维有限元分析网格模型 2 . 2ꢀ 屈服准则 考虑到矿岩材料的应力应变非线性关系,进行 2 . 3ꢀ 岩体力学参数 根据某铁矿的工程地质特征,计算中考虑了 7 了弹塑性有限元分析, 其屈服准则采用 Drucker- Prager 准则,其屈服条件为: 种力学介质,即地表第四系表土(Q)、第三系、角闪 岩、铁矿石、1 ∶4 充填体、1 ∶6 充填体和 1 ∶8 充填体, 经岩组岩体分级及岩体力学参数的工程处理后,综 合选取的岩体力学参数见表 2。 f = αI1 + J2 - k , (1) 式中,I1 为应力张量第一不变量;J2 为偏应力张量 表 2ꢀ 某铁矿岩体力学参数 密度 岩石抗 岩石抗 完整岩 地质 岩体扰 完整岩 (t/ m ) 压强度 压强度 石的岩 强度 动因素 石的岩 岩体 常数 s 岩体 黏聚力 内摩 岩体抗 岩体抗 岩体 泊松 比 3 / 常数 / MPa 擦角 压强度 拉强度 弹模 / (°) / MPa / MPa / MPa 力学 介质 均值 标准值 性系数 指标 衡量 性系数 因子 的折减值 a / MPa / MPa 3 2 2 2 . 390 . 902 . 360 . 026 11. 00 172. 88 20 24 6 62 56 32 0. 3 0. 2 0. 1 5. 213 0. 019 2 0. 502 10. 00 40. 16 43. 1 4. 187 0. 005 3 0. 504 6. 273 38. 39 25. 9 3. 1 3648 8 0. 12 2. 4 2840 0 0. 33 矿体 8. 01 7. 60 110. 05 13. 60 3. 84 角闪岩 第三系 充填体 2. 333 0. 000 8 0. 513 0. 30 0. 32 28 32 4. 5 3. 0 1. 2 0. 2 850 550 0. 35 0. 34 ( 1 ∶4) 充填体 1 ∶6) 充填体 1 ∶8) 第四系 2 2 1 . 039 . 022 . 800 2. 30 1. 32 0. 26 0. 20 0. 10 30 28 22 2. 1 1. 1 1. 0 0. 15 0. 1 420 300 200 0. 35 0. 36 ( ( 0. 1 0. 30 m 2 . 4ꢀ 模拟步骤 根据某铁矿充填采矿的初步设计,根据采高及 表 3ꢀ 某铁矿有限元模拟分析模型 矿房 矿柱 跨度 宽度 序号 采高 回采标高 备注 开采标高的不同,有限元模拟分为以下 5 种模型对 某铁矿的采场结构参数进行优化选取研究。 其中, 当采高为 60 m 时,同时在 960 ~ 1 020 m 及 1 080 M1 M2 M3 M4 14 14 20 20 20 20 25 25 60 120 60 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 960 ~ 1 080 尺寸Ⅰ 尺寸Ⅱ 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 960 ~ 1 080 ~ 1 130 m 进行回采;当采高为 120 m 时,开采范围 120 为 960 ~ 1 080 m。 同时为计算充填采矿法与原崩落 采矿法间的隔离矿柱的厚度,进行了 3 个模型的计 算,模型隔离层的厚度分别为 15、20、25 m。 分析模 型见表 3。 M5 14 18 60 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 隔离层 M6 14 20 60 1 020 ~ 1 080、1 130 ~ 1 180 厚度 15 m 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 隔离层 M7 M8 14 14 20 20 60 60 1 020 ~ 1 080、1 130 ~ 1 180 厚度 20 m 为了模拟某铁矿原崩落开采及拟采用的充填法 开采的过程,反映受采动影响后围岩体的空间分带 性、地表变形的空间形态、矿岩体和充填体的破坏情 况,对表 3 中的 M1 ~ M5 模型均按表 4 所示的 5 个 步骤进行模拟计算,对 M6 ~ M8 模型按表 5 所示的 为 6 个步骤进行模拟计算,见表 5。 960 ~ 1 020、1 080 ~ 1 130 隔离层 1 020 ~ 1 080、1 130 ~ 1 180 厚度 25 m ꢀ ꢀ 根据某铁矿的实际情况,采矿研究方面提出的 矿房采场高度在 50、60、120 m 下充填体设计的配比 分别见图 3 ~ 图 5。 9 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 表 4ꢀ M1 ~ M5 模型模拟计算步骤及简要说明 3 ꢀ 模拟计算结果分析 计算 步骤 3. 1ꢀ M1 ~ M5 模型的计算结果分析 简要说明 选取典型模拟结果见图 6 ~ 图 19 所示。 1 2 3 4 计算在自重力及地应力边界条件下的初始应力场 模拟 1 224 m 以上的崩落开采(将相应部位矿体予以挖掘) 隔一采一,矿房全采完,目的是计算留存矿柱的稳定性 隔三采一,当充填体一边的矿柱采完时,计算充填体的稳定性 隔一采一,当充填体两边的矿柱全采完时, 计算充填体的稳定性 5 表 5ꢀ M6 ~ M8 模型模拟计算步骤及简要说明 计算步骤 简要说明 计算在自重力及地应力边界条件下的初始应力场 模拟 1 224 m 以上的崩落开采(将相应部位矿体予以挖 掘) 1 2 3 开采 960 ~ 1 020 m、1 080 ~ 1 130 m 及 1 200 m 以上的 崩落区开采到 1 200 m 水平,按隔一采一,矿房全采完, 目的是计算留存矿柱的稳定性 开采完 960 ~ 1 020 m、1 080 ~ 1 130 m 后的矿房充填, 采矿房侧的矿柱 图 6ꢀ M1 模型第 4 模拟步 60 m 采高时的 最大主应力等值线(单位:MPa) 4 5 6 充填已采矿柱,开采 1 020 ~ 1 080 m、1 130 ~ 1 180 m 的矿房 充填 1 020 ~ 1 080 m、1 130 ~ 1 180 m 矿房,计算 20 m 宽矿柱未充填时隔离层的稳定性 图 7ꢀ M1 模型第 4 模拟步 60 m 采高时的 最小主应力等值线(单位:MPa) 图 3ꢀ 50 m 高充填体的配比 图 4ꢀ 60 m 高充填体的配比 图 8ꢀ M1 模型第 4 模拟步骤 60 m 采高时的 沉降位移等值线(单位:mm) ( 1)在同样采高条件下,随矿房矿柱尺寸的增 加,采场顶板上的最大主应力、最小主应力及顶板下 沉量均有不同程度的增大,特别是顶板的下沉量增 加约 30% 以上如图 11,图 12 所示。 图 5ꢀ 120 m 充填体的配比 ( 2 ) 在矿房矿柱尺寸相同条件下,当采高从 9 2 ꢀ ꢀ 王花平:某铁矿充填法开采的有限元分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 13ꢀ M2 模型第四模拟步骤 120 m 采高时的屈服破坏区 图 9ꢀ M2 模型第 4 模拟步 120 m 采高时的 最大主应力等值线(单位:MPa) 图 14ꢀ M3 模型第 4 模拟步骤 60 m 采高时的屈服破坏区 图 15ꢀ M4 模型第 4 模拟步骤 120 m 采高时的屈服破坏区 图 10ꢀ M2 模型第 4 模拟步 120 m 采高时的 最小主应力等值线(单位:Pa) 图 16ꢀ M1 模型第 5 模拟步骤 60 m 采高时的屈服破坏区 图 17ꢀ M2 模型第 5 模拟步骤 120 m 采高时的屈服破坏区 图 11ꢀ M2 模型第 4 模拟步骤 120 m 采高时的 沉降位移等值线(单位:mm) 图 18ꢀ M3 模型第 5 模拟步骤 60 m 采高时的屈服破坏区 6 0 m 增大到 120 m 时,总体上来看,最大主应力、最 小主应力值、顶板下沉量均较大,反映采高增大后的 采场顶板等的稳定性稍差。 图 12ꢀ M1 模型第 4 模拟步骤 60 m 采高时的屈服破坏区 ( 3)当采高为60m时,分为上下采场同时进行 9 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 3 . 2ꢀ M6 ~ M8 模型的计算结果分析 由模拟可知,在尺寸Ⅰ(矿房跨度 14 m、矿柱宽 度 20 m)下,顶板上的最大主应力、最小主应力和最 大沉降值是在中间矿房或矿柱处的值大些,周边的 值小些。 通过比较各模型的最大主应力值,且与表 2 的铁矿体拉应力值[σt ] = 3. 1 MPa 对比,可得在 图 19ꢀ M4 模型第 5 模拟步骤 120 m 采高时的屈服破坏区 回采,在下采场顶板上的最大主应力、最小主应力值 较大, 而顶板下沉量较小, 可能主要是受到采深 及 1 212 m 以上崩落采空区的影响。 尺寸Ⅰ(矿房跨度 14 m、矿柱宽度 20 m)下,崩落区 与充填采矿区间的厚度应在 22 m 以上。 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)隔一采一全留矿石矿柱时,所留的矿柱稳 如图 6 ~ 图 9 所示,60 m 采高或是 120 m 采高, 从 M1、M2 模型典型的最大主应力(σ1 )和最小主应 力(σ3 )的模拟结果来看:开采后在采场周边形成了 一定的应力松弛区,有一定的拉应力存在,其范围为 定。 ( 2)隔三采一或其后的隔一采一,当采高为 120 m 时所留的充填体稳定性差,60 m 采高时充填体稳 定性较好,建议采用 60 m 的采高。 3 ~ 8 m,在采场的 4 个角点形成压应力集中区,应力 ( 3)不同矿房矿柱尺寸时,充填体内的屈服破 集中系数为 2 ~ 4 倍。 受 1 212 m 以上崩落区的影 响,在采场四周产生的沉降位移量不大。 坏区在小尺寸时较小或没有。 因此,建议采用小尺 寸的矿房矿柱尺寸,即采用矿房 14 m、矿柱 20 m,采 高 60 m 的采场结构参数。 如图 13 ~ 图 19 所示,从各模型在第 4、第 5 步 模拟结果可知:120 m 采高时,矿房、矿柱尺寸无论 是按Ⅰ尺寸(矿房跨度 14 m、矿柱宽度 20 m),还是 按Ⅱ尺寸(矿房跨度 20 m、矿柱宽度 25 m),都会在 采场充填体内形成屈服破坏区,且主要集中在充填 体的上部及其上下盘,屈服充填体内部的拉应力值 在 0. 4 MPa 左 右, 不 利 于 采 场 的 稳 定 性; 对 应 于 60 m 采高,在采场充填体及其周边形成屈服破坏 区很少或没有,有利于采场的稳定性,建议取 60 m 的采高。 ( 4)矿房矿柱尺寸( 矿房跨度 14 m、矿柱宽度 2 0 m)Ⅰ与Ⅱ( 矿房跨度 20 m、矿柱宽度 25 m) 相 比,建议矿房矿柱尺寸取较小的一种,即 I 尺寸(矿 房跨度 14 m、矿柱宽度 20 m)。 在尺寸Ⅰ(矿房跨 度 14 m、矿柱宽度 20 m)下,崩落区与充填采矿区间 的厚度应在 22 m 以上。 ( 5)某铁矿有穿矿体区域的断层存在,在生产 过程中,应密切注意断层对留存矿柱的稳定性影响, 采取提前采矿及充填等相应的预防对策措施。 当采 高 为 60 m 时, 同 时 在 960 ~ 1 020 m 及 1 080 ~ 1 130 m 进行回采;当采高为 120 m 时开 采范围为 960 ~ 1 080 m。 ( 6)有条件时采用声发射、位移、压力等地压监 测手段,建立立体式的地压监测观测网,对采场及充 填体的稳定性进行监测,设立专门机构或专职人员 负责地压管理工作。 ( 4)M5 模型的计算结果基本与 M1 模型类似, 主要不同点在于因留存矿柱的尺寸减少,矿房回采 后留存矿柱的稳定性小些,处于基本稳定状态。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 ( 5)按矿房矿柱尺寸Ⅰ(矿房跨度 14 m、矿柱宽 度 20 m)与尺寸Ⅱ相比(矿房跨度 20 m、矿柱宽度 5 m),在充填体内形成的屈服破坏区大小来看,以 [ [ 1]ꢀ 吴立新,王金庄,郭增长. 煤柱设计与监测基础[ M]. 徐州:中 国矿业大学出版社,2000. 2 2]ꢀ 孙恒虎,刘文永. 高水固结充填采矿[M]. 北京:机械工业出版 社,1998. 尺寸Ⅰ为小,基本没有。 建议矿房矿柱尺寸取较小 的一种,即矿房跨度 14 m、矿柱宽度 20 m。 (收稿日期 2018-12-02ꢀ 责任编辑ꢀ 袁风香) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ꢁ 欢ꢀ 迎ꢀ 投ꢀ 稿ꢀ ꢀ ꢀ 欢ꢀ 迎ꢀ 订ꢀ 阅 ꢁ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 9 4
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