唐鋼石人溝鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

唐鋼石人溝鐵礦采場(chǎng)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(chǎng)和巖體強(qiáng)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(yīng)力分布和位移狀態(tài)也不同，這直接關(guān)系到采場(chǎng)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(duì)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(dǎo)致大規(guī)模的地壓活動(dòng)，國(guó)家資源嚴(yán)重?fù)p失。近年來，越來越多的礦山開始重視采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并積累了一些經(jīng)驗(yàn)。然而，許多基于經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)沒有科學(xué)知識(shí)，安全無法得到保證。迫切需要科學(xué)方法的分析和研究來指導(dǎo)生產(chǎn)。應(yīng)用ANSYS有限元軟件,結(jié)合石人溝鐵礦的工程地質(zhì)條件,對(duì)地下開采北區(qū)建立了關(guān)于采場(chǎng)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(shí)采場(chǎng)的應(yīng)力、應(yīng)變情況.為了對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析,從采場(chǎng)的塑性區(qū)、應(yīng)力分布情況和位移大小兩方面進(jìn)行了方案對(duì)比.1地下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)石人溝鐵礦開采境界南北長(zhǎng)2.8km,礦體自南向北分布在30號(hào)勘探線至5號(hào)勘探線之間.通過近30年的生產(chǎn),石人溝鐵礦形成了長(zhǎng)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)露天開采已結(jié)束,作為內(nèi)部排土場(chǎng)排滿廢石,排土平均標(biāo)高約140m,廢石對(duì)南區(qū)邊幫起到了一定的維護(hù)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(zhǔn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù).2巖體力學(xué)參數(shù)估算方法巖體力學(xué)參數(shù)受到巖塊的力學(xué)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(yàn)的基礎(chǔ)上采用RMR(巖體分類方法)巖體工程質(zhì)量分級(jí)法,結(jié)合霍克-布朗公式估算石人溝鐵礦的巖體力學(xué)參數(shù),見表1.3模型的構(gòu)建和開挖方案的確定3.1計(jì)算邊界條件及約束根據(jù)石人溝鐵礦巖體力學(xué)性質(zhì),將巖體視為連續(xù)彈塑性體,采場(chǎng)開挖形成是一次性的,不考慮時(shí)間效應(yīng).計(jì)算中把圍巖作為一種混合巖體處理,力學(xué)參數(shù)取其平均值.根據(jù)開采范圍的大小,計(jì)算定為礦體范圍的3～5倍.計(jì)算域邊界采取位移約束,底部所有節(jié)點(diǎn)取x、y、z方向約束,4個(gè)側(cè)面采用法向約束,頂部3個(gè)方向均自由.計(jì)算采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的彈塑性計(jì)算,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則.3.2采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)石人溝鐵礦的采礦方法是空?qǐng)龇?把采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)高為0～-60m,長(zhǎng)度為600m,見圖1.為確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合礦山的實(shí)際情況和類似礦山的開采經(jīng)驗(yàn),共設(shè)計(jì)了4個(gè)方案用于考察采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開采穩(wěn)定性的影響,見表2.對(duì)每一方案分別考察回采結(jié)束后的塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)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(dān)應(yīng)力普通結(jié)構(gòu)分析的共同特點(diǎn)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(yù)應(yīng)力體,早已存在由各種原因形成的應(yīng)力場(chǎng).若將ANSYS程序直接運(yùn)用于采礦,首先必須進(jìn)行原巖應(yīng)力的模擬,也就是使巖體中存在預(yù)應(yīng)力.由于巖體自重應(yīng)力場(chǎng)大于水平應(yīng)力場(chǎng),因此應(yīng)力主要表現(xiàn)為自重應(yīng)力的性質(zhì),即隨著深度的增加應(yīng)力值呈逐漸增大的趨勢(shì),本模型從地表到底部,自重應(yīng)力由-0.29MPa逐漸增大到7.09MPa,如圖2所示.4.2應(yīng)力和位移的分布在原巖應(yīng)力模擬完成后,礦體處在了原巖應(yīng)力場(chǎng)中,此時(shí)進(jìn)行礦體的開挖工程模擬與實(shí)際較接近.方案分析時(shí),選擇礦柱和頂板等關(guān)鍵部位,分別從塑性區(qū)分布,應(yīng)力和位移的大小進(jìn)行對(duì)比分析.1)不同方案的塑性區(qū)和最大應(yīng)力對(duì)比.當(dāng)某區(qū)域的應(yīng)力模擬結(jié)果大于臨界應(yīng)力σs=9MPa時(shí),即認(rèn)為該區(qū)域進(jìn)入塑性變形,如圖3所示.方案1在兩個(gè)礦柱和底板的拐角處都進(jìn)入了塑性區(qū),方案2只有一個(gè)礦柱的中部進(jìn)入了塑性區(qū),方案3和方案4沒有塑性區(qū).從壓應(yīng)力分布情況看,方案1和方案3的最大壓應(yīng)力都產(chǎn)生在礦柱和底板的拐角處,并有應(yīng)力集中現(xiàn)象.方案1最大壓應(yīng)力為9.81MPa;方案3最大壓應(yīng)力為8.30MPa;方案2的最大壓應(yīng)力在礦柱的中部為9.23MPa;方案4的最大壓應(yīng)力為7.59MPa,遍布整個(gè)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(chǎng)附近都有拉應(yīng)力產(chǎn)生.方案1和方案3產(chǎn)生的拉應(yīng)力位于采場(chǎng)的頂板處,方案1的最大拉應(yīng)力為-0.45MPa;方案3的最大拉應(yīng)力為-0.092MPa;方案4在采場(chǎng)的頂板和底板都有拉應(yīng)力產(chǎn)生,最大值為-0.34MPa.如圖3所示.各方案開采后采場(chǎng)的塑性區(qū)分布以及應(yīng)力最大值如表3所示.2)不同開挖方案的最大位移對(duì)比.按各方案開挖完成后,x方向?yàn)榈V體的走向,z方向?yàn)榈V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(chǎng)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(chǎng)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(duì)各方案模型中塑性區(qū)所產(chǎn)生的位置、應(yīng)力分布和位移的大小進(jìn)行對(duì)比,可以看出:1)各個(gè)方案中應(yīng)力的分布大致相同,最大壓應(yīng)力主要分布在礦柱和礦房的角點(diǎn)處,拉應(yīng)力一般分布在采場(chǎng)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(chǎng)的頂板.3)方案1和方案2中部分礦柱進(jìn)入了塑性狀態(tài),方案3的最大壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān),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(chǎng)長(zhǎng)度42m為