唐鋼石人溝鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

在采礦過程中，在同一原巖流力場和巖體強度參數(shù)的條件下，不同的采區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，圍巖和拱的應力分布和位移狀態(tài)也不同，這直接關系到采場本身的穩(wěn)定性。因此，在其他原始條件相同的情況下，優(yōu)化采區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以為采區(qū)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提供可靠的結(jié)構(gòu)模式。過去，由于缺乏研究方法，對采區(qū)結(jié)構(gòu)模式的研究不夠充分。大量柱被留下在采空區(qū)，導致大規(guī)模的地壓活動，國家資源嚴重損失。近年來，越來越多的礦山開始重視采場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，并積累了一些經(jīng)驗。然而，許多基于經(jīng)驗的優(yōu)化設計沒有科學知識，安全無法得到保證。迫切需要科學方法的分析和研究來指導生產(chǎn)。應用ANSYS有限元軟件,結(jié)合石人溝鐵礦的工程地質(zhì)條件,對地下開采北區(qū)建立了關于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維數(shù)值模型,得出石人溝北區(qū)在不同礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)下,地下開采時采場的應力、應變情況.為了對采場穩(wěn)定性進行定量分析,從采場的塑性區(qū)、應力分布情況和位移大小兩方面進行了方案對比.1地下采場結(jié)構(gòu)石人溝鐵礦開采境界南北長2.8km,礦體自南向北分布在30號勘探線至5號勘探線之間.通過近30年的生產(chǎn),石人溝鐵礦形成了長約2500m,寬約260m,深約120m的南北向露天坑.露天轉(zhuǎn)地下時預留境界頂柱16m(北區(qū):0～-16m).礦區(qū)以18勘探線為界將采區(qū)劃分為南北采區(qū).目前,南區(qū)露天開采已結(jié)束,作為內(nèi)部排土場排滿廢石,排土平均標高約140m,廢石對南區(qū)邊幫起到了一定的維護作用,地下開采條件較好.而北區(qū)露天開采也基本結(jié)束,正準備轉(zhuǎn)入地下開采.為了有效、安全地開采地下礦產(chǎn)資源,亟需確定合理的地下采場結(jié)構(gòu)參數(shù).2巖體力學參數(shù)估算方法巖體力學參數(shù)受到巖塊的力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的分布情況、結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及地下水作用等因素的影響,本文作者在室內(nèi)巖塊試驗的基礎上采用RMR(巖體分類方法)巖體工程質(zhì)量分級法,結(jié)合霍克-布朗公式估算石人溝鐵礦的巖體力學參數(shù),見表1.3模型的構(gòu)建和開挖方案的確定3.1計算邊界條件及約束根據(jù)石人溝鐵礦巖體力學性質(zhì),將巖體視為連續(xù)彈塑性體,采場開挖形成是一次性的,不考慮時間效應.計算中把圍巖作為一種混合巖體處理,力學參數(shù)取其平均值.根據(jù)開采范圍的大小,計算定為礦體范圍的3～5倍.計算域邊界采取位移約束,底部所有節(jié)點取x、y、z方向約束,4個側(cè)面采用法向約束,頂部3個方向均自由.計算采用關聯(lián)流動法則的彈塑性計算,屈服準則采用Mohr-Coulomb準則.3.2采場結(jié)構(gòu)設計石人溝鐵礦的采礦方法是空場法,把采場結(jié)構(gòu)簡化成礦塊由礦房、礦柱組成.模擬石人溝北區(qū)的第一中段,標高為0～-60m,長度為600m,見圖1.為確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合礦山的實際情況和類似礦山的開采經(jīng)驗,共設計了4個方案用于考察采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對開采穩(wěn)定性的影響,見表2.對每一方案分別考察回采結(jié)束后的塑性區(qū)、應力場和位移的分布,從而判斷和比較方案的優(yōu)略.4結(jié)果和分析4.1巖體承擔應力普通結(jié)構(gòu)分析的共同特點是先有結(jié)構(gòu)后有載荷,是“先挖洞,后加載”,而采礦和巖土開挖工程的特殊性在于“先有載,后挖洞”.即巖體是一種預應力體,早已存在由各種原因形成的應力場.若將ANSYS程序直接運用于采礦,首先必須進行原巖應力的模擬,也就是使巖體中存在預應力.由于巖體自重應力場大于水平應力場,因此應力主要表現(xiàn)為自重應力的性質(zhì),即隨著深度的增加應力值呈逐漸增大的趨勢,本模型從地表到底部,自重應力由-0.29MPa逐漸增大到7.09MPa,如圖2所示.4.2應力和位移的分布在原巖應力模擬完成后,礦體處在了原巖應力場中,此時進行礦體的開挖工程模擬與實際較接近.方案分析時,選擇礦柱和頂板等關鍵部位,分別從塑性區(qū)分布,應力和位移的大小進行對比分析.1)不同方案的塑性區(qū)和最大應力對比.當某區(qū)域的應力模擬結(jié)果大于臨界應力σs=9MPa時,即認為該區(qū)域進入塑性變形,如圖3所示.方案1在兩個礦柱和底板的拐角處都進入了塑性區(qū),方案2只有一個礦柱的中部進入了塑性區(qū),方案3和方案4沒有塑性區(qū).從壓應力分布情況看,方案1和方案3的最大壓應力都產(chǎn)生在礦柱和底板的拐角處,并有應力集中現(xiàn)象.方案1最大壓應力為9.81MPa;方案3最大壓應力為8.30MPa;方案2的最大壓應力在礦柱的中部為9.23MPa;方案4的最大壓應力為7.59MPa,遍布整個礦柱.如圖3所示.按方案1、方案3和方案4開挖完成后,在采場附近都有拉應力產(chǎn)生.方案1和方案3產(chǎn)生的拉應力位于采場的頂板處,方案1的最大拉應力為-0.45MPa;方案3的最大拉應力為-0.092MPa;方案4在采場的頂板和底板都有拉應力產(chǎn)生,最大值為-0.34MPa.如圖3所示.各方案開采后采場的塑性區(qū)分布以及應力最大值如表3所示.2)不同開挖方案的最大位移對比.按各方案開挖完成后,x方向為礦體的走向,z方向為礦體的傾向,如圖2所示.由于受礦體傾向的影響,z方向的水平位移大于x方向的水平位移,并且最大水平位移均位于礦體的下盤,且均未超過1mm,如圖4所示.各方案開采后采場的位移最大值如表4所示.豎直位移的最大值都產(chǎn)生在采場的頂板處,如圖5所示.方案1產(chǎn)生的豎直位移最大,為23.94mm;方案2和方案4的值次之,為17.95mm;方案3的值最小,為17.93mm.對各方案模型中塑性區(qū)所產(chǎn)生的位置、應力分布和位移的大小進行對比,可以看出:1)各個方案中應力的分布大致相同,最大壓應力主要分布在礦柱和礦房的角點處,拉應力一般分布在采場的頂板處.2)位移的大小分布也大致相同,最大水平位移在礦體下盤,但結(jié)果并不是很大,豎直位移一般比水平位移大得多,最大豎直位移產(chǎn)生在采場的頂板.3)方案1和方案2中部分礦柱進入了塑性狀態(tài),方案3的最大壓應力為8.30MPa,比方案4大了9.3%.但因巖石這類脆性材料基本不抗拉,如受到拉力作用容易發(fā)生破壞.方案3中拉應力為0.092MPa,方案4為0.34MPa,方案4比方案3大了269%.從各方案開挖后的應力分布看,方案3為最佳方案.從變形角度看,各方案的水平位移相差不大,頂板最大下沉位移與安全最為相關,方案3中最小,為17.73mm,也為最佳方案.從能源利用角度看,方案1到方案4開挖礦石量依次遞減.綜合以上分析,方案3即頂柱厚度6m,間柱寬度8m,采場長度42m為