某铁矿地下采空区稳定性数值模-中国矿业114网 
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某铁矿地下采空区稳定性数值模
2018-10-16
以某露天转地下开采铁矿为例,采用 ANSYS 和 FLAC 3D 数值分析软件构建了仿真分 析模型,分析了该矿采空区围岩位移场和应力场的变化规律,讨论了地下采空区的安全状况。 分析 结果对于及时消除该矿采空区安全隐患,确保矿山深部安全开采有一定的参考价值。
Serial No. 593 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 总第 593期 September. 2018 MODERN MINING 2018 年 9 月第 9 期 某铁矿地下采空区稳定性数值模拟分析 俞海云 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司) ( 3D ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以某露天转地下开采铁矿为例,采用 ANSYS 和 FLAC 数值分析软件构建了仿真分 ꢀ 析模型,分析了该矿采空区围岩位移场和应力场的变化规律,讨论了地下采空区的安全状况。 分析 结果对于及时消除该矿采空区安全隐患,确保矿山深部安全开采有一定的参考价值。 关键词ꢀ 露天转地下开采ꢀ 采空区ꢀ 数值模拟ꢀ 稳定性ꢀ 位移场ꢀ 应力场 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 09. 069 ꢀ ꢀ 地下采空区是矿山安全开采的主要危害因素之 弹塑性连续介质。 一,开展采空区稳定性研究,对于确保矿山深部安全 [ 1-4] 。 本研究以某露天转地下开 开采具有重要意义 3 D 采铁矿为例,采用 ANSYS 和 FLAC 仿真分析软件 构建数值分析模型,研究地下采空区安全状况,为该 矿深部开采设计提供有益参考。 1 ꢀ 矿山概况 某铁矿为露天转地下开采矿山,矿体赋存于上 图 1ꢀ 数值模型示意 太古界五台超群台怀群柏枝岩组一段顶部的斜长绿 泥片岩内,矿体呈层状—似层状,连续性较好,矿体 沿走向厚度变化小,呈近 EW 向分布于矿区北部边 缘,矿体产状与围岩片理产状基本一致。 矿体厚度 为 2. 21 ~ 27. 44 m,平均 12. 19 m;矿体走向 85° ~ 铁矿体顶板为绿泥斜长角闪片岩,底板为绿泥 斜长片岩。 岩石抗压强度较大,属于坚硬岩石,完整 性较好,节理不发育,矿体顶底板岩石稳固性较好。 矿石硬度系数 f = 10 ~ 12, 抗压强度为 140 ~ 240 MPa;岩石硬度系数 f = 8 ~ 10,抗压强度为 70 ~ 220 MPa。 同时参考周边矿山岩体参数,采用强度折减 法对岩石参数进行了处理,确定出模型的岩体力学 1 10°,倾向 175° ~ 220°,倾角 65° ~ 82°。 矿体顶板为 绿泥斜长角闪片岩,底板为绿泥斜长片岩。 矿区前 期开采形成了 1 个露天采场,长度为 120 ~ 160 m, 宽度为 60 ~ 70 m。 由于前期地下开采活动,使得在 露天采场下部形成了 1 个地下采空区,空区赋存标 高为 1 512 ~ 1 370 m,空区长度和宽度分别与矿体 长度和厚度一致。 参数见表 1。 表 1ꢀ 模型矿岩物理体力学参数 内摩 抗拉 体积 剪切 擦角 强度 模量 模量 / (°) / MPa / GPa / GPa 密度 泊松 黏聚力 名称 3 / (kg/ m ) 比 / MPa 矿体 围岩 3 060 2 760 0. 35 0. 23 2. 11 1. 27 37 33 2. 3 1. 2 1. 52 1. 13 0. 91 0. 75 2 ꢀ 数值计算模型构建 根据开采矿体周围岩体受采动影响的范围,模 ꢀ ꢀ 模型构建完毕后,在未开采的情况下,模型侧面 型沿东西方向为 Z 方向,沿南北方向为 X 方向,垂 限制水平位移,模型底部限制垂直位移。 本研究仅 考虑自重应力场,在整个模型施加 Y 方向的重力加 速度,得出在该状态下的初始位移场和初始应力场, 而后进行位移和应力清零,模拟矿体开挖回采过程。 为简便计算过程,采取采空区一次形成的计算方案, 分析矿体开采对周围位移场和应力场的影响。 [ 5-6] 。 模型尺寸(长度×宽 直于水平面方向为 Y 方向 度)为 500 m×200 m,高度为自标高 1 300 m 以上至 地表。 模型共计 303 819 个单元,59 224 个节点(图 1 )。 初始模型采用四面体单元剖分,重点剖分矿体 [7-8] 采空区部分 。 本研究将模型岩性简化为围岩和 矿体 2 种介质类型。 计算中,将围岩及矿体均视为 3 ꢀ 数值模拟分析 3 . 1ꢀ 位移场 ꢀ ꢀ 俞海云(1971—),男,助理工程师,243000 安徽省马鞍山市。 由图 2 可知,采空区形成后,周边围岩发生了不 2 49 总第 593 期 现代矿业 2018 年 9 月第 9 期 同程度的位移变形,最大变形量达到 10. 774 cm,对 采空区的稳定极为不利,若不及时进行治理,易发生 采空区失稳塌陷事故,对矿山生产安全构成了较大 威胁。 图 2ꢀ 模型整体位移云图 模型 2 个剖面位置的采空区围岩位移特征如图 3 所示。 分析图 3 可知:采空区形成后,由于围岩应 力转移并重新分布,采空区围岩位移产生了不同程 # # 度的变化,1 、2 剖面的围岩 最 大 位 移 量 分 别 达 到 5. 144 9、5. 384 7 cm;围岩位移已贯通至地表露 天采场,形成了位移闭合圈,引起地表岩体产生了裂 隙,出现了位移沉降现象,在降雨、构造应力等因素 的综合影响下,易诱发采空区垮塌事故,对生产作业 人员和设备的安全构成了重大威胁。 图 4ꢀ 采空区周边应力分布云图 中系数为 1. 3 ~ 2. 4。 在采空区两侧和底板位置,顶 板围岩应力得到了有效释放,不利于采空区稳定,在 外部扰动的影响下,加大了采空区失稳塌落的风险, 应加强监测和治理工作。 4 ꢀ 结ꢀ 语 以某铁矿为例,采用 ANSYS 和 FLAC 软件构 3 D 建了计算模型,对该矿采空区围岩位移场和应力场 的变化规律进行了详细分析。 研究表明:该矿山采 空区存在较大的失稳垮塌的潜在风险,为确保矿山 生产安全,建议开展采空区专项治理方案设计,建立 采空区现场监测系统,针对采空区稳定性状况,采取 有效的针对性治理措施,尽早消除采空区安全隐患, 确保矿山安全生产。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 张耀平,曹ꢀ 平,袁海平. 复杂采空区稳定性数值模拟分析 J]. 采矿与安全工程学报,2010,27(2):233-238. [ 图 3ꢀ 采空区围岩位移云图 [2]ꢀ 李夕兵,李地元,赵国彦,等. 金属矿地下采空区探测、处理与 安全评判[J]. 采矿与安全工程学报,2006,23(1):25-29. 3 . 2ꢀ 应力场 随着矿体的开采,采空区周边岩体应力场将会 [ 3]ꢀ 杜相会. 矿山采空区稳定性分析及其变形失稳过程可视化仿 真研究[D]. 长沙:中南大学,2012. 重新分布。 分析图 4 可知:采空区周围岩体应力呈 [ 4]ꢀ 程ꢀ 涌. 采空区稳定的可靠度及其影响因素的敏感性分析研 究[D]. 昆明:昆明理工大学,2009. # # 条带状分布,且等值线云图倾向为下坡方向,1 、2 剖面的最大应力值分别为 5. 51、5. 62 MPa,由于矿 体回采后应力场的重新分布,不同位置的采空区应 力值存在一定的差异,但总体上随着深度的增加,应 力呈现逐渐增大的趋势。 [5]ꢀ 仪海豹,李ꢀ 明,辛国帅,等. 龙首矿高应力坑底隔离矿柱失稳 模式[J]. 金属矿山,2017(9):47-51. [ 6]ꢀ 张梅花,高ꢀ 谦,翟淑花. 高地应力围岩流变特性及竖井长期 稳定性分析[J]. 力学学报,2010,42(3):474-481. [ 7]ꢀ 江学良,杨ꢀ 慧,曹ꢀ 平. 基于 SURPAC 模型的采空区与露采 由于矿山开采作业的影响,露天采场下方和采 空区上方的岩体产生了应力释放,降低了岩体强度, 削弱了采空区围岩的稳定性,对采空区安全不利,易 导致采空区发生失稳垮塌事故。 同时,在各个采 空区周围发生了不同程度的应力集中现象,应力集 3D 边坡相互影响的 FLAC 分析[ J]. 岩土力学,2011,32 (4): 1234-1240. 3 D [ 8]ꢀ 尚振华,唐绍辉,焦文宇,等. 基于 FLAC 模拟的大规模采空 区破坏概率研究[J]. 岩土力学,2014(S2):3000-3006. ( 收稿日期 2018-03-25) 2 50
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