數(shù)值模擬在露天轉(zhuǎn)地下過渡開采礦山中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在露天轉(zhuǎn)地下過渡開采礦山中的應(yīng)用

采用數(shù)值模擬計(jì)算法對(duì)礦山工程的巖體力學(xué)狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是研究巖體力學(xué)的常用方法。數(shù)值模擬是一種定量的方法,雖不苛求結(jié)果嚴(yán)格的準(zhǔn)確性,但是所選用的計(jì)算方法必須既簡(jiǎn)便,又能較多地考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程的施工因素,而且還必須注意數(shù)值模擬中的一些關(guān)鍵性的技術(shù),使建立的數(shù)值模型盡量接近實(shí)際,以保證結(jié)果的可靠性。1數(shù)值模型在采礦準(zhǔn)備過程中的重要技術(shù)和方法1.1計(jì)算模型的選取進(jìn)行巖體力學(xué)分析的系統(tǒng)模型,要反映出主要的地質(zhì)和巖體技術(shù)方面的信息,所需的資料一般包括:(1)研究區(qū)域的地形、地貌,不同類型巖土邊界的幾何形狀;(2)主要結(jié)構(gòu)面(斷層、節(jié)理、裂隙等)的統(tǒng)計(jì)資料;(3)露天開挖體以及地下開挖體的幾何形狀、尺寸;(4)不同類型巖體的力學(xué)參數(shù),其中包括密度,彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度,摩擦角、內(nèi)聚力以及泊松比等,這些往往是決定結(jié)果準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)性參數(shù):(5)為減少應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要模擬的開挖部位一般要位于模型的幾何中心,且距離模型的邊界為開挖斷面尺寸的3～5倍。礦山開采及穩(wěn)定性問題本身是一個(gè)空間問題,采用三維計(jì)算模型更為合理,一般情況下,為計(jì)算簡(jiǎn)便,根據(jù)實(shí)際也可簡(jiǎn)化為二維模型,如模擬部分的幾何形狀均勻,且開挖斷面面積小于縱剖面面積,那么就采用二維分析;同時(shí)要考慮要采用連續(xù)介質(zhì)還是非連續(xù)介質(zhì),考慮它的非線性效應(yīng),選取適當(dāng)?shù)那?zhǔn)測(cè),系統(tǒng)的加載或卸載速度,以決定采用準(zhǔn)靜態(tài)模型還是動(dòng)態(tài)模型。1.2數(shù)值計(jì)算模型在進(jìn)行開挖巖體穩(wěn)定性和區(qū)域穩(wěn)定性數(shù)值模擬時(shí),經(jīng)常截取巖體的某一部分建立數(shù)值模擬計(jì)算模型,用一定的邊界約束條件去替代原始介質(zhì)的連續(xù)狀態(tài)。邊界約束方法選取合理與否決定著結(jié)果是否符合或接近實(shí)際情況。其確定方法如下(1)巖土開挖工程中,受地下構(gòu)造應(yīng)力和巖體自重力的共同作用,但在缺乏全面的資料的情況下,一般在模型兩側(cè)需要施加水平方向的梯度力,計(jì)算公式為:σ=ξρgh(ξ為圍巖的側(cè)壓力系數(shù))。(2)模型的底部為固定邊界,即底部邊界節(jié)點(diǎn)水平位移和垂直位移均為零(u=0,ν=0)。(u=0,ν=0)。(3)一般模型上部地表的荷載忽略不計(jì),僅計(jì)算巖體在自重應(yīng)力作用下的變形情況。數(shù)值模擬邊界約束示意圖如下圖1所示:1.3巖體變形模量測(cè)試巖體力學(xué)參數(shù)的選取是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,同時(shí)巖體力學(xué)參數(shù)也關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否符合實(shí)際。目前規(guī)范中提出的確定巖體力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式包括節(jié)理密度法、費(fèi)先科公式、霍克一布朗公式。在有條件的情況下,可以在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)試巖體的變形模量和強(qiáng)度特征。巖體的變形模量常通過現(xiàn)場(chǎng)的平板載荷試驗(yàn)、壓力硐室實(shí)驗(yàn)和地震波試驗(yàn)等來求得。巖體的強(qiáng)度特性,主要是巖體的抗剪強(qiáng)度問題,可以通過野外抗剪斷試驗(yàn)取得,但這些費(fèi)用昂貴,費(fèi)工費(fèi)時(shí),所以常通過工程類比法,從巖石的變形特性和巖體的結(jié)構(gòu)特性來推測(cè)巖體的變形特性與強(qiáng)度特性。1.4選取計(jì)算模型數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于對(duì)地質(zhì)條件的研究程度,必須正確了解計(jì)算區(qū)域地質(zhì)和地形情況,做到從地質(zhì)模型到計(jì)算模型的正確過渡。在選取計(jì)算模型時(shí),要根據(jù)數(shù)值模擬的目的及礦山的實(shí)際情況,選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算剖面及剖面的計(jì)算范圍;確定計(jì)算模型的位移約束條件及應(yīng)力邊界條件;根據(jù)計(jì)算機(jī)容量選擇適當(dāng)?shù)拈_挖步數(shù),對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行離散化處理,對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)在模型中還需作一定的簡(jiǎn)化處理。2實(shí)例分析2.1露天開采礦區(qū)地質(zhì)概況唐山鋼鐵礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦礦區(qū)工程地質(zhì)勘察類型為塊狀巖類礦床,工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單型。礦區(qū)內(nèi)出露地層為下太谷界遷西群馬蘭峪組片麻巖系,巖性特點(diǎn)自上而下為黑云母角閃斜長片麻巖,角閃斜長片麻巖和花崗片麻巖。巖石強(qiáng)度大,穩(wěn)定性好。但區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,礦區(qū)出露的各類脈巖,有的切穿礦體,因此在礦體開采中,破碎斷裂的巖層成為一些潛在的滑移面,嚴(yán)重影響露天開采時(shí)邊坡的穩(wěn)定性。本礦區(qū)主要有四條礦脈,M1、M2、M3和M4,主要為M2礦體,約占設(shè)計(jì)范圍內(nèi)工業(yè)儲(chǔ)量的86.28%。次為M1礦體,約占11.80%。礦石類型為石英巖磁鐵礦石。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(hào)勘探線和5號(hào)勘探線之間。通過近三十年來的生產(chǎn),石人溝鐵礦露天開采即將結(jié)束,形成長約2500m,寬約260m深約120m的南北向露天坑。露天轉(zhuǎn)地下時(shí)預(yù)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)露天開采結(jié)束后作為內(nèi)部排土場(chǎng),已排滿廢石,排土標(biāo)高為140m,廢石對(duì)南區(qū)邊幫的穩(wěn)定起到了一定的維護(hù)作用,地下開采條件較好。而北區(qū)現(xiàn)在仍在進(jìn)行露天開采,預(yù)計(jì)到2005年底露采結(jié)束,全部轉(zhuǎn)入地下開采。北區(qū)在過渡開采期間,高陡的邊幫不能處理,邊幫內(nèi)斷層發(fā)育,上盤(西部)邊幫主要分布F1、F11斷層,對(duì)邊坡切割較嚴(yán)重,影響邊坡的穩(wěn)定性。2.2數(shù)值模擬方案根據(jù)對(duì)石人溝鐵礦工程地質(zhì)條件和計(jì)算分析的目的,考慮到采區(qū)的幾何和外載的對(duì)稱性,沿礦體走向選取北區(qū)12線至16線間400m,垂直礦體走向150m,鉛直方向上-12～-60m中段間的范圍作為研究對(duì)象。根據(jù)精度要求,我們所創(chuàng)建的模型體積是研究范圍的3～5倍,形狀為長方體,其長×寬×高為1200m×480m×260m即沿礦體走向取1200m(x方向),沿垂直礦體走向取480m(y方向)沿鉛垂方向取260m(z)方向,從地表+100m至-160m)。盡量將開挖區(qū)域置于模型的中間,以減少邊界效應(yīng)的影響。數(shù)值模擬的方案:先進(jìn)行原巖應(yīng)力的模擬,而后在形成的原巖應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)行露天坑的開挖,巖體中的應(yīng)力受到擾動(dòng),形成次生應(yīng)力場(chǎng),然后在露天境界頂柱下進(jìn)行地下第一水平(-16～-60m)的開采,礦房回采次序?yàn)橄壬媳P后下盤。本次模擬的采礦方法為分段鑿巖階段礦房法?？傮w實(shí)體模型如圖2所示,剖面圖如圖3。2.3礦巖力學(xué)參數(shù)本次計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)參照礦山相關(guān)的地質(zhì)資料以及東北大學(xué)對(duì)石人溝鐵礦巖體所作應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果,經(jīng)過弱化處理確定。礦巖力學(xué)參數(shù)見表1。因?yàn)楸敬文Ｐ瓦x取的范圍內(nèi)主要為片麻巖,而且主要研究露天坑和地下開挖后巖體的應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況,故水平方向原巖應(yīng)力采用σ=μ1?μρgh(μσ=μ1-μρgh(μ為泊松比)進(jìn)行計(jì)算,垂直方向原巖應(yīng)力采用σ=ρgh計(jì)算。2.4計(jì)算結(jié)果表明的分析(1)應(yīng)力模擬結(jié)果模擬原巖應(yīng)力時(shí),底部采用位移約束,上面為自由面,鉛直方向上的應(yīng)力按自重應(yīng)力計(jì)算;水平應(yīng)力可通過側(cè)壓力系數(shù)與原巖自重應(yīng)力的乘積得出。原巖應(yīng)力模擬結(jié)果如圖4所示。我們假定原巖應(yīng)力場(chǎng)是“潛在正斷型”,即最大主應(yīng)力(σ1=σz)近于鉛直,中間主應(yīng)力(σ2=σy)和最小主應(yīng)力(σ3=σx)近于水平,巖體易發(fā)生正斷型錯(cuò)動(dòng)。圖中顯示σz隨著深度的增加,應(yīng)力值呈逐漸增大的趨勢(shì),最大壓應(yīng)力為6.94MPa。(2)階坡面第一主應(yīng)力增從臺(tái)階坡體內(nèi)的主應(yīng)力矢量圖可以看出,露天開挖后由于卸載作用,巖石產(chǎn)生彈性恢復(fù),沿著臺(tái)階坡面第一主應(yīng)力由上至下逐漸增大,直到坡腳處,坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中且有拉應(yīng)力出現(xiàn),其發(fā)展使得坡腳處發(fā)生拉破壞的可能性大大增加。礦房開挖后,主應(yīng)力大小、方向發(fā)生了變化,最大主應(yīng)力數(shù)值增大,主應(yīng)力方向向坡腳處偏轉(zhuǎn),易使整個(gè)臺(tái)階沿主應(yīng)力方向滑移破壞,降低其穩(wěn)定性(3)基層組織物應(yīng)變值mm的變化對(duì)比露天坑開挖和礦房開挖后路面邊坡的Y方向應(yīng)變(位移)曲線,露天開挖后從邊坡腳到中間,Y方向(豎直方向)的應(yīng)變值從-2.6×10-3mm變化到0.922×10-3mm,從中間到邊緣,應(yīng)變值變?yōu)?.27×10-3mm,礦房開挖后,相應(yīng)的應(yīng)變值為-1.79×10-3mm、0.527×10-3mm和0.165×10-3mm?？梢钥闯雎访嫣巻卧膽?yīng)變值變化最大,即下沉量最大,但由于數(shù)值較小,不會(huì)影響路面行車。從路面所在臺(tái)階坡體內(nèi)的主應(yīng)變矢量圖可以看出,露天開挖后,坡腳處的應(yīng)變較大,向采空方向產(chǎn)生較大的膨脹位移,上部和坡頂應(yīng)變較小。3降低邊坡的變形和位移鑒于石人溝鐵礦西部邊坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀和近期穩(wěn)定性的要求,考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性,提出對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)、疏水、減震爆破、壓坡腳等四種技術(shù)措施。邊坡坡腳處出現(xiàn)的應(yīng)力集中和偏轉(zhuǎn),使坡腳發(fā)生破壞的可能性增加,因此在無法削坡的情況下,可利用廢石壓住坡腳,避免出現(xiàn)拉趾破壞;根據(jù)巖層的出露情況對(duì)一些重點(diǎn)、危險(xiǎn)地段實(shí)施監(jiān)測(cè),掌握邊坡的變形、位移量隨時(shí)間的變化,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的不穩(wěn)定體;通過設(shè)立疏水工程,防止地表水由裂隙進(jìn)入邊坡,降低潛在破壞面附近的水壓,可提高潛滑體的穩(wěn)定性;采用微差爆破分段起爆等技術(shù)和優(yōu)化爆