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全面采矿法点柱尺寸与采场顶板稳定性关系研究
2018-05-15
某铅锌矿采用全面采矿法,形成了几十万立方米的采空区,并留下了众多不规则的点 柱,为了评估采空区对周边的影响,并采取针对性的治理措施,采用数值模拟的方法,分析数组点柱 尺寸与采场顶板稳定性的关系,并采取数值拟合的方法,创建了点柱尺寸与采场顶板稳定性的关系 公式,简便直观地对采空区的稳定性进行了判定,并继续用于指导矿山今后的采矿作业点柱留设, 对矿山安全和经济具有重要的积极意义。
总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 全面采矿法点柱尺寸与采场顶板稳定性关系研究 汪ꢀ 亮ꢀ 王ꢀ 星 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 某铅锌矿采用全面采矿法,形成了几十万立方米的采空区,并留下了众多不规则的点 柱,为了评估采空区对周边的影响,并采取针对性的治理措施,采用数值模拟的方法,分析数组点柱 尺寸与采场顶板稳定性的关系,并采取数值拟合的方法,创建了点柱尺寸与采场顶板稳定性的关系 公式,简便直观地对采空区的稳定性进行了判定,并继续用于指导矿山今后的采矿作业点柱留设, 对矿山安全和经济具有重要的积极意义。 关键词ꢀ 全面法ꢀ 点柱ꢀ 顶板稳定性ꢀ 数值模拟ꢀ 数值拟合 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 04. 050 Study on the Relationship between the Column Size and Stope Roof Stability by Using Comprehensive Mining Method Wang Liangꢀ Wang Xing ( Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co. ,Ltd. ) Abstractꢀ Comprehensive mining method is used in Pb-Zn Mine, the goal with the volume of hundreds of thousands of cubic meters is formed,and some irregular columns are reserved. In order to e- valuate the influence of the goafs to its surrounding environment and take some effectively measures,the numerical simulation method is adopted to analyze the relationship between column size and stope roof stability. The numerical fitting method is used to derive the formula of column size and stope roof stability to evaluate the goafs stability. The study results can provide some guidance for the column reserving of fur- ther mining process in the mine,which has some positive significance for the safety and economic benefits of the mine. Keywordsꢀ Comprehensive mining method,Column,Roof stability,Numerical simulation,Numerical fitting [ 1-2] ,而本矿的采空区较多,达到 70 个,其中多数 ꢀ ꢀ 某铅锌矿采用全面留矿法开采了数十年,留下了 性 几十万方的采空区群,采空区内有众多不规则的点 柱,给周边环境造成了较大的安全隐患。 采空区调查 主要采用 CMS 空区探测仪,辅以全站仪,基本查清了 矿山采空区分布、点柱分布。 根据测量的数据,建立 三维模型,并结合矿山中段平面图的划分和采空区间 的空间关系,划分了 10 个中段,将采空区和点柱绘制 于平面图上,分别编号,使得复杂的空区分布明朗化, 共 探 测 划 分 采 空 区 70 个, 采 空 区 面 积 采矿区还互相连通,互相影响,工程类比法难以实 施,采用数值模拟法逐一判定费时费力,加之采空区 间的相互影响,结果的准确性也会受到影响。 3 D 针对本矿采空区的特点,采用 FLAC 模拟单 一暴露面积下点柱受力情况,通过多次模拟,找出采 [ 3] 空区处于极限稳定状态下的点柱尺寸 ;采用相同 方法模拟出多组不同暴露面积下暴露面积与点柱尺 寸的关系;列出暴露面积及其相对应的点柱尺寸,采 用数值拟合的方法创建其关系公式;根据查明的点 柱及采空区面积,对照创建公式进行稳定性评价。 2 3 为 137 842. 9 m ,体积为 579 654. 4 m ,根据空区模型 3 圈定矿柱146 个,矿柱总体积为23 429. 02 m ,矿柱矿 量约 84 813. 06 t,为下一步的工作打下了基础。 2ꢀ 数值模拟分析 1 ꢀ 稳定性评价方法 2. 1ꢀ 矿岩体力学参数选取 对于单一采空区或采空区较少的情况下,可以 对矿山的主要矿岩(绿片岩、矿石和大理岩)进 行节理裂隙调查及取样,通过室内岩石力学试验获 采用工程类比法或数值模拟法来判定采空区的稳定 1 90 ꢀ ꢀ 汪ꢀ 亮ꢀ 王ꢀ 星:全面采矿法点柱尺寸与采场顶板稳定性关系研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 4 月第 4 期 2 取其力学参数,并进行岩体物理力学参数折减,本次 数值模拟过程中所用岩体力学参数见表 1。 表 1ꢀ 矿岩体力学参数 每个点柱间的空区面积为 450 m ,建立采空区群模 型,见图 1。 抗拉 强度 抗压 强度 弹性 模量 内摩 擦角 ϕ/ (°) 矿岩体 密度 泊松比 内聚力 3 名称 / (g/ cm ) ν C / MPa / MPa / MPa / GPa 0. 69 21. 29 20. 43 0. 18 0. 25 8. 00 16. 78 0. 27 0. 58 15. 88 17. 94 0. 23 绿片岩 大理岩 矿体 3. 04 2. 79 4. 11 1. 12 0. 73 0. 93 38. 7 37. 5 36. 5 图 1ꢀ 空区群模型 2 . 2ꢀ 单组数值模拟 数值拟合需要多组数据,而为了获取每组数据 2 . 2. 2ꢀ 模拟结果及分析 2 模拟 450 m 的暴露面积时,设定的点柱尺寸有 的对应关系要进行多次反复模拟,由于内容较多而 4 5 . 0 m×4. 0 m、4. 5 m×4. 5 m、5. 0 m×5. 0 m、5. 5 m× 2 篇幅有限,在此仅列举采空区暴露面积为 450 m 的 . 5 m,模拟后发现,点柱为 4. 0 m×4. 0 m 时,采空 数值模拟情况。 区顶板已经发生拉伸破坏;点柱为 5. 5 m ×5. 5 m 时,采空区顶板受力情况较好,位移不明显,这两组 不是所要找的结果;点柱尺寸为 4. 5 m×4. 5 m 和 5. 2 . 2. 1ꢀ 模型建立 模拟前假设采空区无限大,其点柱尺寸相同, 0 m×5. 0 m 时的应力云图和位移云图符合目标结果 的特征,列为备选数据,并进一步对这两组进行对比 分析,找出最佳耦合的一组。 2 组计算模型剖面位 置的最大主应力云图、最小主应力云图、位移云图和 采空区顶板位移监测曲线见图 2、图 3。 图 2ꢀ 4. 5 m×4. 5 m 点柱数值模拟结果 1 91 总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 图 3ꢀ 5 m×5 m 点柱数值模拟结果 ꢀ ꢀ 由图 2、图 3 可以看出,当采空区顶板暴露面积 表 2ꢀ 不同暴露面积采空区在极限稳定时的点柱尺寸 2 2 为 450 m ,点柱尺寸为 4. 5 m×4. 5 m 时,围岩中的 最大主应力为 27. 11 MPa,出现在点柱靠近底板 1 / 3 处,并且在点柱和顶底板的交界位置发生应力集中 现象,在采空区中央部位产生了拉伸屈服区域,围岩 中的 最 大 位 移 出 现 在 采 空 区 顶 板 中 央 位 置, 为 90. 19 mm。 点柱尺寸为 5 m×5 m 时,最大主应 力为 27. 16 MPa,点柱中间靠近底板的位置在计算 过程中曾处于剪切屈服状态,但在模型计算完成之 暴露面积 / m 200 312 450 612 点柱尺寸/ m 3. 5×3. 5 4. 0×4. 0 5. 0×5. 0 6. 5×6. 5 后退出了此状态,另外,采空区顶板的最大下沉量为 2 9 . 04 mm。 由此可见,顶板暴露面积为 450 m ,点柱 图 4ꢀ 点柱尺寸与采空区顶板暴露面积关系 由图 4 分析可知,合理的点柱尺寸随着采空区 顶板暴露面积的增大而增大,两者之间符合一定的 规律特性,将此规律进行曲线数据拟合后,得到最佳 的点柱尺寸与采空区顶板暴露面积之间的关系式, 考虑到数值模拟时点柱为规整的,而在实际生产中 的点柱却不完全规整,因此,在公式中加入了点柱尺 寸修正系数 K,公式如下: 尺寸由 4. 5 m×4. 5 m 增大到 5 m×5 m 时,采空区顶 板中央的位移量显著减小,因此,增大点柱的尺寸对 维护顶板的稳定具有重要作用,并且数值模拟计算 结果与理论分析相吻合。 此时,与顶板暴露面积为 2 4 50 m 最佳耦合的点柱尺寸为 5 m×5 m。 3 ꢀ 数值拟合 经过多次的模拟,得出 4 组不同暴露面积采空 区在极限稳定时的点柱尺寸,见表 2。 将表 2 中数据统计列表,并得到数据回归曲线, 见图 4。 = 6. 449 0. 003SDB SDZ e , K 2 式中,SDZ为点柱尺寸,m ;SDB 为采空(下转第192页) 1 92
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