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挂帮矿开采引起的残采边坡位移场分布规律
2009-12-15
平硐追脉开采挂帮矿破坏了边坡岩体结构,使边坡岩体内应力重新分布,影响了边坡的稳定性。利 用ANSYS有限元大型数值模拟分析软件,通过建立石人沟铁矿追脉开采露天高边坡三维数值模型,进行数值模拟 计算,分析残采边坡的稳定性,得到结论:平硐追脉开采对石人沟铁矿露天边坡整体稳定性影响不大,残采边坡是 稳定的,但应加强平硐硐口和采空区顶板的支护和管理。
Series No. 402 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总09第年 第40212期 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Decemberꢀ 2009 METAL MINE 挂帮矿开采引起的残采边坡位移场4分布规律 1 , 2 1, 2 3 康 志 强 ꢀ 李 富 平 ꢀ 李 闻 杰 ꢀ 南 世 卿 ( 1. 河 北 理 工 大 学 ; 2. 河 北 省 矿 业 开 发 与 安 全 技 术 重 点 实 验 室 ; 3. 河 北 省 国 控 矿 业 开 发 投 资 有 限 公 司 ; 4. 石 人 沟 铁 矿 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 平 硐 追 脉 开 采 挂 帮 矿 破 坏 了 边 坡 岩 体 结 构 , 使 边 坡 岩 体 内 应 力 重 新 分 布 , 影 响 了 边 坡 的 稳 定 性 。 利 用 ANSYS 有 限 元 大 型 数 值 模 拟 分 析 软 件 , 通 过 建 立 石 人 沟 铁 矿 追 脉 开 采 露 天 高 边 坡 三 维 数 值 模 型 , 进 行 数 值 模 拟 计 算 , 分 析 残 采 边 坡 的 稳 定 性 , 得 到 结 论 : 平 硐 追 脉 开 采 对 石 人 沟 铁 矿 露 天 边 坡 整 体 稳 定 性 影 响 不 大 , 残 采 边 坡 是 稳 定 的 , 但 应 加 强 平 硐 硐 口 和 采 空 区 顶 板 的 支 护 和 管 理 。 关 键 词 ꢀ 追 脉 开 采 ꢀ 位 移 场 ꢀ ANSYSꢀ 残 采 边 坡 ꢀ 数 值 模 拟 Distribution of Displacement Field of Residual Slope during Hanging W4 all Ore Mining 1 , 2 1, 2 3 Kang Zhiqiang ꢀ Li Fuping ꢀ Li Wenjie ꢀ Nan Shiqing ( 1. Hebei Polytechnic University; 2. Hebei Province Key Laboratory of Mining Development and Safety Technique; 3. Hebei Statecontrolled Mining Development Investment Co. , Ltd. , 4. Shirengou Iron Mine) Abstractꢀ The veining up mining of hanging wall ore destroys the slope rock structure, redistributes the stress of slope rock, and affects the stability of slope. Taking the veining up the hanging wall ore residual slope of Shirengou Iron Mine for example, threedimensional numerical model of veining up mining of the high residual slope of Shirengou Iron Mine is es tablished, and stability of residual slope are analyzed through calculating with numerical simulation by using the largescale finite element numerical simulation analysis software of ANSYS. The conclusion shows that this mining has little effects on the overall stability of the open pit slope of Shirengou iron ore, and the mining of residual slope is stable, but the supporting and management of roof at tunnel exit and goaf should be strengthened. Keywordsꢀ Veining up mining, Displacement field, ANSYS, Residual slope, Numerical simulation ꢀ ꢀ 目 前 , 由 于 矿 石 资 源 日 益 紧 张 , 为 最 大 限 度 地 回 表 1ꢀ 石 人 沟 铁 矿 残 采 边 坡 岩 体 力 学 参 数 弹 性 模 量 泊 松 比 剪 切 模 量 收 露 天 矿 边 坡 境 界 外 矿 石 , 挂 帮 矿 使 用 平 硐 追 脉 开 采 , 平 硐 追 脉 开 采 完 成 后 形 成 了 露 天 采 场 残 采 后 的 边 坡 , 即 残 采 边 坡 。 国 内 外 对 露 天 矿 山 边 坡 稳 定 性 分 析 取 得 了 众 多 的 研 究 成 果 12] , 但 对 露 天 矿 残 采 边 坡 稳 定 性 的 研 究 还 不 多 。 密 ꢀ 度 ( g/ cm3 ) 水方 平向/ GPa 水 平 v 垂 直 水 G平 / G垂Pa直 名 ꢀ 称 ρ 垂 直 方 向 / 方 向 方 向 方 向 方 向 表 土 层 1. 94 1. 86 1. 33 0. 4 0. 42 0. 66 0. 52 [ 片 麻 岩 微 风 化 层 2. 69 3. 38 1. 86 0. 3 0. 33 1. 30 0. 89 片 麻 岩 未 风 化 层 2. 74 4. 82 2. 62 0. 27 0. 29 1. 90 1. 31 石 人 沟 铁 矿 露 天 采 场 闭 坑 后 在 采 区 北 部 端 帮 采 用 平 硐 追 脉 开 采 回 收 境 界 外 矿 石 , 形 成 残 采 边 坡 。 平 硐 追 脉 开 采 使 岩 体 结 构 遭 到 破 坏 , 应 力 分 布 更 加 复 杂 , 工 程 地 质 条 件 恶 化 , 边 坡 和 空 区 失 稳 的 可 能 性 加 大 。 因 此 , 使 用 ANSYS 有 限 元 分 析 软 件 , 建 立 残 磁 铁 石 英 岩 3. 47 5. 33 2. 87 0. 24 0. 27 2. 15 1. 34 2. 61 2. 71 1. 69 0. 36 0. 38 1. 04 0. 73 断 层 破 碎 带 1. 2ꢀ 石 人 沟 铁 矿 残 采 边 坡 模 型 的 建 立 ANSYS 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 通 用 大 型 有 限 元 分 析 软 件 , 主 要 包 括 3 个 模 块 : 前 处 理 模 块 提 供 了 一 个 强 大 的 实 体 建 模 及 网 格 划 分 工 具 ; 分 析 计 算 模 块 包 括 结 构 分 析 、 流 体 动 力 学 分 析 、 电 磁 场 分 析 、 声 场 分 析 、 压 电 分 析 以 及 多 物 理 场 的 耦 合 分 析 ; 后 处 理 模 [ 34] , 分 析 石 采 边 坡 的 三 维 模 型 , 通 过 数 值 模 拟 计 算 人 沟 铁 矿 残 采 边 坡 的 稳 定 性 。 1 ꢀ 挂 帮 矿 开 采 边 坡 模 型 建 立 1 . 1ꢀ 石 人 沟 铁 矿 岩 体 力 学 参 数 通 过 室 内 岩 石 力 学 性 质 实 验 , 根 据 石 人 沟 铁 矿  河 北 省 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 编 号 : E2009000782) , 河 北 省 教 育 厅 计 划 项 目 ( 编 号 : 2007454) 。 工 程 地 质 资 料 , 采 用 强 度 折 减 系 数 法 5] , 得 到 石 人 [ 沟 铁 矿 残 采 边 坡 的 岩 体 力 学 参 数 , 见 表 1。 康 志 强 ( 1974— ) , 男 , 河 北 理 工 大 学 资 源 与 环 境 学 院 , 副 教 授 , 博 士 , 硕 士 研 究 生 导 师 , 063009 河 北 省 唐 山 市 新 华 西 道 46 号 。 · 50· ꢀ ꢀ ꢀ 康 志 强 等 : 挂 帮 矿 开 采 引 起 的 残 采 边 坡 位 移 场 分 布 规 律 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 12 期 块 可 将 计 算 结 果 以 图 表 、 曲 线 形 式 显 示 或 输 出 67] 。 一 个 典 型 的 ANSYS 分 析 过 程 可 以 分 为 3 个 步 骤 : 建 立 模 型 、 加 载 并 求 解 、 查 看 分 析 结 果 并 获 得 结 论 。 石 人 沟 铁 矿 在 北 部 边 坡 进 行 平 硐 追 脉 开 采 挂 帮 矿 , 开 采 后 在 露 天 边 坡 下 形 成 1# 、 2# 、 3# 平 硐 采 空 区 。 [ 背 面 都 受 到 X、 Z 方 向 的 约 束 , 底 面 受 到 X、 Y、 Z3 个 方 向 的 约 束 。 根 据 矿 山 实 际 情 况 , 仅 考 虑 边 坡 受 到 重 力 作 用 , 因 此 在 Y 方 向 施 加 反 向 重 力 加 速 度 。 2ꢀ 石 人 沟 铁 矿 残 采 边 坡 模 拟 结 果 及 其 分 析 2 . 1ꢀ 残 采 边 坡 开 采 前 位 移 场 分 析 # # # 根 据 1 、 2 、 3 平 硐 投 影 图 和 平 面 图 以 及 北 部 边 坡 0 m 终 了 平 面 图 , 边 坡 高 度 为 135 m。 为 了 消 除 边 界 边 坡 开 采 前 在 自 重 情 况 下 边 坡 各 方 向 的 位 移 场 分 布 等 值 线 图 如 图 3、 图 4、 图 5 所 示 。 # # 效 应 的 影 响 , 1 平 硐 左 边 和 3 平 硐 右 边 边 坡 长 度 各 取 60 m 和 100 m, 这 样 边 坡 总 长 度 达 到 310 m。 同 样 为 消 除 边 界 效 应 , 边 坡 前 后 长 度 取 200 m, 平 硐 下 # 部 岩 体 厚 度 12 m。 1 平 硐 走 向 近 似 垂 直 于 边 坡 , 建 # # 立 三 维 模 型 时 简 化 为 垂 直 于 边 坡 , 2 平 硐 相 对 于 1 # # 平 硐 左 向 旋 转 8°; 3 平 硐 相 对 于 1 平 硐 右 向 旋 转 1 4°。 边 坡 上 部 有 10 m 的 表 土 层 , 表 土 层 下 是 近 20 m 的 片 麻 岩 微 风 化 层 , F10 断 层 厚 0. 5 m。 根 据 石 人 图 3ꢀ 开 采 前 X 方 向 位 移 等 值 线 # # # 沟 铁 矿 边 坡 资 料 图 和 1 、 2 、 3 平 硐 实 测 数 据 , 建 立 # # # 残 采 边 坡 三 维 模 型 , 见 图 1; 1 、 2 、 3 平 硐 如 图 2 所 示 。 图 4ꢀ 开 采 前 Y 方 向 位 移 等 值 线 图 1ꢀ 边 坡 分 层 模 型 图 5ꢀ 开 采 前 Z 方 向 位 移 等 值 线 从 图 3、 4、 5 可 以 看 出 , 边 坡 在 自 重 情 况 下 , X 轴 方 向 的 正 向 最 大 位 移 值 为 29. 63 mm, 出 现 在 边 坡 内 # # # 部 1 、 2 、 3 平 硐 上 部 和 断 层 附 近 , 这 是 由 于 岩 层 与 矿 体 接 触 面 以 及 断 层 形 成 软 弱 滑 动 面 ; 负 向 最 大 位 图 2ꢀ 平 硐 示 意 移 值 为 1. 07 mm, 出 现 在 坡 顶 左 前 部 。 而 Y 轴 方 向 的 负 向 ( 向 下 方 向 ) 最 大 位 移 值 为 64. 73 mm, 出 现 在 坡 顶 后 部 , 主 要 是 受 到 表 土 层 和 片 麻 岩 微 风 化 层 的 影 响 ; 正 向 位 移 最 大 为 0. 33 mm。 Z 轴 方 向 正 向 最 大 位 移 值 为 3. 43 mm, 负 向 最 大 位 移 值 为 3. 91 mm。 为 了 真 实 地 模 拟 石 人 沟 铁 矿 残 采 后 的 露 天 边 坡 , 根 据 岩 体 的 各 向 异 性 性 质 , 选 择 各 向 异 性 的 三 维 实 体 单 元 SOLID64 来 模 拟 岩 体 的 垂 直 正 交 各 向 异 性 。 边 界 条 件 施 加 节 点 约 束 , 模 型 左 右 2 个 侧 面 和 · 51· 总 第 402 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 12 期 各 方 向 中 Y 轴 竖 直 方 向 位 移 最 大 , 但 主 要 发 生 在 表 土 层 , 因 此 只 要 加 强 表 土 层 的 维 护 和 清 理 , 就 不 会 对 整 体 边 坡 造 成 危 害 ; 其 次 是 X 轴 正 方 向 , 但 最 大 位 移 值 不 超 过 30 mm, 其 它 方 向 位 移 值 均 较 小 , 说 明 边 坡 在 自 重 情 况 下 不 会 产 生 滑 移 , 保 持 稳 定 。 时 的 最 大 位 移 值 减 少 了 0. 22 mm, 这 说 明 开 采 第 三 段 矿 体 后 底 板 处 压 应 力 得 到 了 一 定 程 度 的 调 整 ; Y 轴 负 向 位 移 最 大 值 为 67. 93 mm, 出 现 在 边 坡 顶 部 后 中 间 部 位 , 比 开 采 第 二 段 矿 体 后 负 向 最 大 位 移 值 增 加 了 2. 49 mm, 说 明 采 空 区 的 加 大 增 加 了 竖 直 方 向 的 移 动 , 但 影 响 不 是 很 大 。 Z 轴 方 向 正 向 最 大 位 移 值 为 10. 53 mm, 与 开 采 第 二 段 矿 体 相 比 几 乎 没 有 变 化 ; 负 向 最 大 位 移 值 为 11. 69 mm, 比 开 采 第 二 段 矿 体 时 负 向 最 大 位 移 增 加 了 2. 54 mm。 Z 轴 正 向 和 负 2 . 2ꢀ 挂 帮 矿 开 采 后 残 采 边 坡 位 移 场 分 析 开 采 结 束 后 残 采 边 坡 位 移 场 分 布 等 值 线 图 如 图 、 图 7、 图 8 所 示 。 6 # # 向 最 大 位 移 都 位 于 1 和 2 硐 上 部 断 层 处 , 说 明 采 空 # # 区 的 加 大 增 加 了 1 和 2 硐 周 围 破 坏 区 的 范 围 , 但 位 移 值 没 有 太 大 的 变 化 。 3 ꢀ 结 ꢀ 论 通 过 建 立 石 人 沟 铁 矿 露 天 边 坡 平 硐 追 脉 开 采 后 形 成 的 残 采 边 坡 的 三 维 模 型 , 运 用 ANSYS 有 限 元 软 件 对 残 采 边 坡 进 行 数 值 模 拟 分 析 计 算 , 对 石 人 沟 铁 矿 边 坡 平 硐 追 脉 开 采 X、 Y、 Z 各 方 向 的 位 移 和 边 坡 总 体 位 移 分 析 , 得 出 如 下 结 论 : 图 6ꢀ 开 采 结 束 后 X 方 向 位 移 等 值 线 ( 1) 通 过 ANSYS 建 立 石 人 沟 铁 矿 残 采 边 坡 三 维 数 学 模 型 , 进 行 数 值 模 拟 计 算 分 析 表 明 : 石 人 沟 铁 矿 露 天 边 坡 进 行 平 硐 追 脉 开 采 后 , 对 整 体 边 坡 影 响 不 是 很 大 , 残 采 边 坡 整 体 是 安 全 稳 定 的 。 ( 2) 最 大 一 段 采 空 区 位 于 3# 平 硐 第 三 段 , 达 到 4 3 1 . 5 × 10 m , 由 于 采 空 区 上 部 断 层 的 存 在 , Y 方 向 负 向 ( 向 下 ) 和 Z 方 向 的 位 移 变 化 较 大 , 与 每 一 步 开 采 前 后 相 比 位 移 最 大 值 都 是 增 加 的 , 位 移 增 加 量 达 到 2 ~ 5 倍 , 位 移 最 大 值 多 发 生 于 3 个 平 硐 上 部 和 断 层 附 近 , 因 此 , 平 硐 硐 口 和 采 空 区 顶 板 应 成 为 安 全 管 理 的 重 点 , 加 强 支 护 和 维 护 , 防 止 硐 口 塌 落 和 顶 板 破 坏 。 图 7ꢀ 开 采 结 束 后 Y 方 向 位 移 等 值 线 ( 3) 随 着 边 坡 向 前 追 脉 开 采 , 巷 道 不 断 加 长 , 采 空 区 体 积 不 断 增 大 , 从 而 使 边 坡 岩 层 位 移 逐 渐 增 大 , 特 别 是 断 层 附 近 位 移 变 化 较 明 显 , 因 此 , 应 当 加 强 边 坡 管 理 , 采 取 必 要 的 防 范 措 施 ; 采 空 区 使 F10 断 层 的 初 始 平 衡 状 态 被 打 破 , 反 过 来 , 断 层 的 变 形 又 影 响 巷 道 及 采 空 区 顶 板 的 安 全 , 所 以 应 当 加 强 顶 板 管 理 , 根 据 实 际 情 况 采 取 必 要 的 支 护 和 防 护 措 施 。 图 8ꢀ 开 采 结 束 后 Z 方 向 位 移 等 值 线 从 图 6、 7、 8 可 以 看 出 , 由 于 受 到 重 力 作 用 , 开 采 结 束 时 X 轴 方 向 正 向 位 移 最 大 值 为 29. 75 mm, 出 现 在 3 个 硐 室 之 间 的 上 部 , 比 开 采 第 二 段 矿 体 时 最 大 正 向 位 移 增 加 了 0. 42 mm, 变 化 不 明 显 ; 负 向 位 移 最 大 值 为 0. 99 mm, 出 现 在 边 坡 顶 部 右 前 角 处 , 比 开 采 第 二 段 矿 体 时 最 大 负 向 位 移 增 加 了 0. 02 mm, 变 化 微 乎 其 微 。 而 Y 轴 方 向 正 向 最 大 位 移 值 为 1. 98 ( 4) 本 文 的 位 移 场 数 值 模 拟 研 究 成 果 成 功 地 运 用 于 石 人 沟 铁 矿 挂 帮 矿 开 采 , 为 现 场 边 坡 残 采 提 供 了 理 论 指 导 , 保 证 了 追 脉 开 采 安 全 , 共 采 出 挂 帮 矿 5. 8 万 t, 取 得 了 显 著 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 。 同 时 本 课 题 的 研 究 成 果 也 适 用 于 其 它 同 类 矿 山 的 边 坡 挂 ( 下 转 第 60 页 ) # mm, 位 于 3 硐 开 采 后 采 空 区 处 , 比 开 采 第 二 段 矿 体 · 52· 总 第 402 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 12 期 [ [ [ [ 3] ꢀ 赵 ꢀ 奎 . 岩 金 矿 山 采 空 区 及 残 留 矿 柱 回 采 稳 定 性 研 究 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2003, 22( 8) : 14041404. 稳 定 进 行 动 态 的 立 体 监 测 , 才 能 对 空 区 塌 陷 时 间 和 范 围 提 供 较 高 精 度 和 准 确 度 的 预 测 和 预 报 。 4] ꢀ 罗 周 全 , 吴 亚 斌 , 刘 晓 明 , 等 . 基 于 SURPAC 的 复 杂 地 质 体 3 D 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 FLAC 模 型 生 成 技 术 [ J] . 岩 土 力 学 , 2008, 29( 5) : 13341337. 5] ꢀ 郭 忠 林 , 臧 士 勇 , 赖 洪 明 , 等 . 铜 官 山 铜 矿 矿 柱 优 化 回 采 研 究 [ [ 1] ꢀ 盛 立 新 , 张 传 信 . 狮 子 山 铜 矿 采 空 区 矿 柱 安 全 回 采 技 术 与 实 践 [ J] . 昆 明 理 工 大 学 学 报 , 2002, 27( 1) : 69. 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