大红山铜铁矿地压活动规律数值模拟分析

朱国辉,胡平安

(1.长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙 410011;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

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大红山铜铁矿地压活动规律数值模拟分析

朱国辉1,胡平安2

(1.长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙 410011;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

频繁的地压活动对大红山铜铁矿安全生产构成了严重威胁。通过矿区地压演化过程的数值模拟分析,掌握了矿区地压活动产生的原因及规律,根据模拟结果提出了相应的治理措施。研究结果对控制矿区地压及安全生产具指导作用。

地压活动;数值模拟;塑性区;拉应力区

受工程地质条件复杂及多中段高强度开采影响,大冶大红山铜铁矿区发生了较明显的地压活动,主要表现在:采场顶、底板围岩发生大面积跨塌;部分矿(间)柱产生张裂缝及滑移,采场内大量充填料沿张裂缝泄漏;穿脉巷道出现冒顶、片帮及底鼓,地压活动出现从局部向全矿区发展的趋势,对矿山安全生产构成了严重威胁。

为了解地压活动产生原因,准确预测矿区地压活动发展趋势,开展了矿区地压活动规律数值模拟分析,结论与建议对矿区地压控制及安全生产具一定指导作用。

1 矿区概况及开采技术条件

1.1 矿区概况

矿区三面环湖,南面居民房屋、学校、工矿企业密集,武-九铁路、大-金省道紧绕矿区而过,地表不允许塌陷。

矿区-200 m以上民采空区积水严重,现已停止采矿活动,-200～-220 m标高间设20 m厚防水隔离矿柱,-220 m以下属大冶大红山铜铁矿开采范围,共设-270 m、-320 m、-370 m、-420 m 4个中段。两步骤回采,一步骤矿房采用浅孔留矿法开采,嗣后分级尾砂胶结充填;二步骤矿(间)柱采用上向低分段空场法开采,嗣后分级尾砂充填。为满足开采规模要求,矿区实行多中段生产。因某方面原因,已造成-320 m、-370 m中段部分矿房、矿柱完全错位。

1.2 开采技术条件

矿床属中酸性花岗闪长斑岩与嘉陵江组灰岩接触交代作用形成的高中温热液矽卡岩型铜铁矿床。矿体受舌状体或捕虏体和反“S”型接触带构造控制。主矿体走向长900 m,厚4～100 m,倾角5°～85°,倾向延伸 50～550 m,平均品位 Cu:1.37%,TFe: 37.26%,Au:0.46 g/t,Ag:7.07 g/t。

矿体顶、底盘围岩为花岗闪长岩、大理岩及矽卡岩。花岗闪长岩坚硬稳固,大理岩强度高,但层理面发育,矽卡岩与矿岩接触带内岩体松软、破碎。其中矿体与下盘花岗闪长岩接触带一旦揭露遇水即发生膨胀崩解,强度迅速降低。矿体与上盘大理岩接触带部位岩体强度相对较低,但接触带影响宽度较小,且结合较紧密。

矿区水文地质条件复杂。直接顶板大理岩溶发育。强岩溶发育带底部平均标高-72.47 m,弱岩溶发育带底部平均标高-326.84 m,弱带以下岩溶基本消失。矿区实施帷幕注浆防治水工程后,幕内外水位差达36.48～36.91 m,堵水率60%左右。

2 数值分析模型的创建

2.1 模型的建立

数值模拟的可靠性一定程度上取决于所选取的计算模型。因矿区工程地质条件复杂,三维建模繁杂,且根据工程实践,同等条件下,二维数值模拟结果较三维数值模拟结果在应力和位移方面高约10%,此对工程岩体稳定性评价是有利的,故本次分析采用二维模型。

数值模拟采用有限元分析软件。矿房垂直投影尺寸12.5 m×46 m,高50 m。为更真实地反映矿区地压演变过程,避免应力过度集中,矿房顶、底部边角进行了圆角处理。

需要指出的是:数值模拟无论采用二维还是三维模型,均经过了较多简化,与实际情况存在一定差异,计算结果虽不能完全准确地反应客观实际,但用于宏观定性分析有较好的参考作用。就本研究而言,数值模拟结果在一定程度上反映了采矿活动对矿岩及充填体稳定性的影响,初步揭示了矿区地压活动规律特征,对矿区合理回采顺序的选择具一定指导作用。

2.2 材料参数

数值计算结果的可靠性还取决于岩体力学参数选取的合理性,受客观条件及技术难度影响,进行现场大型原位岩体力学参数试验十分困难。一般工程则以实验室岩块试验为基础,同时考虑岩体的结构效应,结合工程实践对岩块力学参数进行适当修正得到数值计算所用材料参数,详见表1。

表1 矿岩物理力学参数表

2.3 原岩应力场

根据中科院武汉岩土力学研究所提供的矿区原岩应力测试结果表明:矿区最大主应力为水平方向的构造应力,其次为垂直方向的自重应力,二者比值0.46～1.36。本研究计算中,垂直方向应力按自重应力计算。其中-320 m水平垂直方向自重应力约为9.50 MPa,水平方向的应力约为13 MPa。

2.4 矿岩破坏准则

围岩破坏按两种情况考虑:

1.张拉破坏。处于空区顶部岩体,受自重作用而产生受拉破坏。受拉应力作用岩体破坏方式按最大拉应力准则处理,即:

2.压剪破坏。开挖作用影响,空区周边会产生压应力集中。处于压应力集中区的岩体,可能产生压剪破坏。压剪破坏采用德鲁克-普拉格(Drucker -Prager)准则。即:

式中I1为第一应力不变量;J2为第二偏应力不变量;α、β为正常数,它可由岩块的c,φ求得:

3 模拟结果与分析

3.1 -270 m中段矿房开采时

1.围岩中仅局部产生较大位移。最大位移产生在端部矿(间)柱中央,方向近似水平,指向采空区。

2.矿房开采后,矿(间)柱中水平方向应力得到解除,垂直方向应力变为最大主应力。在端部矿房中,出现较大范围的垂直方向的拉应力,中间矿(间)柱中,出现量值较小的水平方向的拉应力(见图1)。

3.矿房顶、底部出现局部塑性区,范围较小。

图1 -270 m中段矿(间)柱中拉应力情况

3.2 充填-270 m中段矿房、开采-320 m中段矿房时

1.-270 m中段矿房采空区充填后,该中段矿(间)柱垂直方向应力值有所降低;受充填体作用,矿(间)柱中的水平拉应力消失。

2.-320 m中段矿房开采所形成的拉应力区形状与上中段矿房开采时所形成的形状基本一致,主要发生在矿(间)柱中。端部矿房拉应力方向垂直,量值最大。中间矿房拉应力方向水平,量值较小(见图2)。

图2 -320中段开采时矿(间)柱中拉应力情况

3.矿房顶部出现较小范围的塑性区。

4.充填体中的应力为压应力,但量值较小。

3.3 不充填-320 m中段矿房直接开采-370 m矿房时

1.由于上下矿房、矿(间)柱不对应,开采-370 m水平矿房之后,-320 m矿房与-370 m矿房之间形成较大范围塑性区,塑性区贯通了整个顶底柱(见图3)。

图3 -320 m中段贯通的塑性区

2.除上部矿房开采时在矿(间)柱中产生拉应力区之外,-370 m中段矿房顶部也出现了拉应力区,而且拉应力量值明显增大。

3.4 充填所有矿房后开采-270 m中段矿(间)柱时

1.当开采矿(间)柱时,主要荷载还是由远处其余矿(间)柱承担,充填体只承担了较小一部分荷载(见图4)。

图4 矿房充填体中应力分布

2.从计算结果来看,在矿(间)柱开采时,充填体产生了较大范围的塑性区,该塑性区水平方向上完全贯通了整个充填体(见图5)。

3.矿(间)柱开采时,其空区顶部产生了较大范围的拉应力区,可能影响-200～-220 m间隔离矿柱的稳定(见图6)。

3.5 所有矿房充填后开采-320 m中段矿(间)柱时

1.开采-320 m中段矿(间)柱时塑性区范围及应力大小与开采-270 m中段矿(间)柱情形基本一致。

图5 充填体在水平方向产生贯通性塑性区

图6 空区顶部(隔离矿柱)出现拉应力区

2.在空区顶部,出现更大范围的拉应力区。对应的顶部矿(间)柱中垂直方向的压应力得到了部分释放(见图7)。

图7 空区顶部出现的拉应力区

4 结论与建议

1.一步骤矿房开采建议按从上至下单中段或相邻上、下两个中段同时生产;合理布置采场,确保矿房、矿柱上、下对应;坚持“强采强出强充”原则,尽量缩短采场回采周期;保证矿房充填体强度,确保二步骤矿(间)柱回采安全。

2.矿房开采过程中,矿柱经历了“由垂直方向出现拉应力到水平方向应力解除再到垂直方向应力增大”的应力演化过程,该过程使矿柱中的结构面经历了“垂直方向张开至垂直方向闭合进而沿结构面滑移”的一个过程,这是矿柱中部急倾斜结构面产生破坏的根本原因。

3.矿柱中部的主应力方向产生了互换。矿柱两侧矿房开采后,垂直方向压应力增大,水平方向压应力基本为零,此时矿柱中结构面很易产生受压破坏。

4.基于结论与建议2、3方面原因,对长大矿柱的回采,可考虑在其长轴方向上将矿房分解为2～3个采场,以改善矿柱的受力状况,减少矿房开采对矿柱的破坏。

5.上、下矿柱不对应造成上、下相邻矿房之间矿柱产生贯通性塑性区以及对应矿柱垂直方向应力部分解除是大红山矿区产生威胁性地压活动的两个重要诱导因素。

6.矿房充填体对改善矿柱的应力分布起到了重要作用。矿房开采后,宜尽快充填,尽量地降低暴露时间;充填体要有足够强度,应能完全承担荷载。

7.-200～-220 m防水隔离矿柱下矿柱回采会在隔离矿柱中形成拉应力区,对隔离矿柱的稳定产生不利影响。因此,在矿区上部民采空区积水威胁解除之前,建议各中段矿柱的回采顺序采用先采下部矿柱后采上部矿柱的上行式顺序,且矿柱回采时,应加强两侧矿房充填体的保护及全矿区地压监测。

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Numerical Simulation Analysis of the Rule of Geostatic Activity in Dahongshan Copper-iron Mine

ZHU Guo-hui1,HU Ping-an2

(1.Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Changsha410011,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

Frequent geostatic activity has been a serious threat to production safety in the Dahongshan copper-iron mine.Through numerical simulation analysis of the evolution process of geostatic activity in the mining area,the reason and rule of the geostatic activity has been taken,and corresponding control measures has been brought up according to the simulation results.Research results have a guiding role to control geostatic activity and safety production.

geostatic activity;numerical simulation;plastic zone;tensile stress area

TD167

A

1003-5540(2011)05-0001-04

朱国辉(1965-),男,高级工程师,主要从事采矿工程设计工作。

2011-08-20