（采矿工程专业论文）村庄下开采空区充填材料的选择.pdf

摘要 摘要 “三下”采矿的安全问题是长期以来在采矿中值的注意的问题，它关系到矿井 作业的安全和经济效益问题。关于村庄下采矿的地表下沉问题，国内外学者也有不 同程度的研究。针对云驾岭铁矿村庄下压矿的开采问题，其上部为云驾岭村庄和玉 石洼铁矿生活区。该矿地质储量2 6 4 1 万吨，矿石平均品位为4 6 5 l ，是我国较高 品位的铁矿石，在我国大量进口铁矿的情况下，该矿的开采有利于解决国内铁矿的 紧张局顽。该矿开采有两个大方案，一是搬迁村庄，二是用“三下”开采的方法采 出矿石。由于搬迁费用昂贵、选址困难。因此，本论文研究嗣后充填空场法开采本 矿的方案，充填材料强度的确定，为矿山对充填材料的选择提供依据。 运用有限元a n s y s 软件，结合云驾岭铁矿开采过程和地质条件，建立模型。 由于该矿埋藏深，分五个中段来开采，每开采到一个中段模拟一次，逐步进行模拟 分析。 选用三种不同的充填材料，模拟分析充填效果。最后又对充填法与非充填法的 计算结果进行比较，一共建立六个模型，对地表的形变进行预测，地表最大水平形 变、最大曲率、最大倾斜均符合国家规定的建筑物破坏等级i 级标准，确保地表村 庄安全。 对各个方案进行综合评价，选择一种较好的充填材料，既要达到有效控制地表 沉陷的效果，也要经济合理，本文作为一种模拟和辅助手段，对于村庄下采矿的研 究具有一定的探索意义。 图6 9 表9 参7 2 关键词：充填材料；地表沉陷；a n s y s 分类号：t d 8 0 3 河北理工人学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h e 鞠f ep m b l e mt l l a t ”t h r e et i m e s ”m i n ef o rm i n e r a l si s 也ea d v e n e n tp r o b l e m 也a tb e w o r mi nt h ec o a l f k ef | o rl o n gt i m e ，i tr e l a t e st o 髓f ea i l de c o n o m i cp e r f o n n a n c ep f o b l e mo f t h em i l l e r a l 、v e l lh o m e w o r k a sf o rv i l l a g ed e s c e n dt l l eo p e n c 船te a r t h l ss l l r f a c ea n dd 船c 蚰d t 0s i n kt l l ep m b l e m ，d o m e s t i c 缸di n t e m a t i o n a lm es c h o l a ra l h 躯t h er 骼e a r c ho fd i 侬黜m d e g 阳e n i ey u i l i i a l 吣i m nm i n ev i l l a g et od e s c e n dp 咒s sm ei i l i n e r a lt om i t h c p r o b l e 巩i t su p p e rp a r t 越v e s 吐l cv i l l a g eo fy m 巧i a l i i l ga n dt l l ey l l s h i 、ai r o nm i l 谕 a r e 躺t h em i n e r a l sg e o l o g yk 唧st om e 勰u r c2 6 4 1 0 ，o o ot o r 略加a v e r a g ep e r s o n a ls 濑s o ft h em i n e m ls t o n ei s4 6 5 1 ，i st 1 屺o l l rc o u n n yi r o n 血n es t o n eo ft h eh i g h e rp e r s o n a l s 协葺i l s ，u n d 盱n 屺c o n d i t i o no fo u rc o u n 妇哆i m p o r m ei r o nm i n ei n 罂- e a tq u 觚t i 畦e s ，m a t m i i i c r a lm i n e st ob ea d v a n l - 丑g e o u st on e r v o u ss i t i l 撕o n 也a ts o i v e sm el o c a l 妇lm i n e t h a t m i r l e r a lm 协e st 、l i ，og e 珊娜u sc 硒e s ，o n ei st om o v e 吐圯v i l l a g e ，钾i sam e t h o dt b a tm i n e s 、 ，i m ”m r e e 廿m e s ”t oa d o p tam i n e r a ls t o n e b e c a u s em o v 证g 也ee x j ) e n s e se x p s i v e ，c h o o s e t h ea 拙e s sd i 缳c 脚粤t h 粼f o r e 出s 曲s i sr e s e a i c h 血c 盘l e rw i ue l lb l a n k 也ep r o j e c tt 量m t am e t l l o dm i n e st l i i sm i n e r a ll a t c r ，t 量l ef i l l e rs n e n g t ht 0 砌l ys e n l e ，p m “d i l l gt h eb 晒i sf o r c h o i c e 也a t 也en 矗n e r a lm o u n t a i nf 丑l e r m a k eu s eo fa na n s y ss o f t w a r c ，c o m b i i i et l l ci m nm 抽eo fy u j i a l i n gt om i m e p r o c e 胬拍d 由eg e o l o g yc o n d 雉。璐，血ee s 协b l i s h m e n tm o d e l b e c a _ u s et h a tm m e r a lb u r y d e 印l y ，d i v i d e 丘v ei n s i d e 肿e n tt om i n e ，m i n ee 舵ht i m eat h ei i l s i d es e g m e n t 证1 i 协l c o i 赋，c a r r yo ni m i 伯痂1 9t h ea m d y s i sg m d u a l l y c h o o s et of i u e r 、j l ，i t l lt l l r e ek i l l d so f d i 丘b 坞n tf i l l e ri m 姗e 鞠a l v d c a lf i l l 潞u h 1 1 硷锄d 矗l l e r 协ec a l 砌撕o n l l a t m e m e l h o d 锄d n o n - m l e r f i l l t l l e 积h o d t o t h e f i l l t o 觚a 他蹦t c a r r ) ro nm ec o m p a r i s o na g a i 蚰试l d i n gu ps i xm 甜e l st o l 触l y ，c h a n g i n gt 0c a 吖o nt l 璩 e s t i m a t et om ef o mo ft l l ee 哑b ss u r f k e ，也e b i g g e s tl e v e lf o 皿i n e 盯t l l 。ss u 时a c e c h a l l g e ，t 圭l eb i g g e s tc u a t 山e ，b i g g c s t i l l c l i n a t i o na l lm e c t st 1 1 e b u i l d 抽g o ft h en a t i o n p r 0 v i s i o nt ob r e a kt l l eg r a d eic l 髂ss t 卸d a r d ，i n s l l r i n gt l l ee a r 【h ss l i r i k ev i l l a g es a f b t y c a r r yo nt h ec o m p 把h e n s i v ee v a l u a 土i o nt o 也ee a c hp r o j e c t ，c h o o s ea1 ( i n do fc o m p a r e g o o do ff i l l st 1 1 eb o d y ，s i n c et oa n a i n 也ev a l i dc o n t r o lt h ee a r t t l ss u r f 犯es i n i 【sm er e s u l tf o r s i i l k ，a l s ow 删n g 出a tm ee c o n o m yi sr e a s o n a b l e ，m i st e x ti sal ( i l l do fe m u l a t i o na n dl e n d s s u p p o nt om em e a s ，f o rv i l l a g ed e x tt h eo p e n c a s tr c a r c hh 船t h cc e r t a i q u e s tm 锄i n g 摘要 f i g i l r c6 9 ；t a b l e 9 ；r e f e r e n c e7 2 k e y w o r d s ：圮f i l l t l l e 咖协i ss u 如c es i n k ，a n s y s c h i n e s eb o o l c sc a t a i o g ：t d 8 0 3 一l i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：易拗 日期：洹年! 月曲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：脚：导师签名：酗盘日期：之堕年卫目塑扫 引言 引言 开采地下资源引起地表沉陷的问题越来越受人们的关注，控制开采沉陷，保护 人类生存环境是矿山安全、高效生产面临的重大课题。开采沉陷理论研究方法一般 利用力学原理将岩体抽象为力学模型，用有限元对岩体与地表移动和变形进行数值 模拟，能有效地反映采动岩体的沉陷状态。此外还可以用概率积分法对开采沉陷理 论的研究，但此方法计算模型适应性差、编程复杂、应用不便，计算结果很难符合 工程实际。目前沉陷研究又有了新的进展，如于广明从非线性科学角度研究沉陷的 复杂性，崔希民建立了开采沉陷的流变模型，张玉卓提出了岩层移动的位错理论， 王金庄建立了条带开采覆岩破坏的托板理论，这些理论为开采沉陷的研究奠定了基 础【1 】。 过去常用的研究方法主要是靠实验室研究或简化为二维问题来研究，但由于实 际岩体是三维的而且其构造复杂，如其中可能含有大量不同构造、产状和特性的不 连续结构面( 比如节理、裂隙、断层等) 。因雨，过去的研究方法得出的研究结论和 实际的偏差一般较大。目前，随着计算机仿真技术的发展，尤其是岩土材料的非线 性弹塑性有限元计算技术的发展，出现了许多优秀的基于有限元理论的仿真软件， 近年来在国内外广受关注的是大型通用有限元分析工具a n s y s 系统，它具有很强的 三维仿真功能，但在矿山岩体力学问题中的应用还不多。 在进行建筑物下采矿之前，要根据地质采矿条件作地表移动和变形的预计。根 据预计值的大小来评定建筑物的破坏程度，然后据此采取相应的地面建筑物加固措 施和改进井下开采措施，最后确定建筑物下采矿的最佳方案。我国通常是在建筑物 下压矿开采之前，根据具体的采矿地质条件，通过工程类比法或其他方法确定出地 表移动预计参数，采用概率积分法、典型曲线法或其他方法确定出地表移动变形 值，进而进行评估。另外还要考虑，由于预计参数的选取问题或预计方法选取不当 等，都会给地表变形值预计带来不同程度的误差。还有建筑物的使用年限、几何尺 寸及地基性质等因素，都会影响建筑物的破坏程度。 云驾岭铁矿位于邯郸武安市境内，地质储量2 6 4 l 万吨。村庄与生活区均压矿， 搬迁费用昂贵、选址困难。因此，深入研究覆岩移动和地表沉陷规律，针对环境保 护的需要，建立以控制覆岩移动为主体的沉陷控制理论、方法、技术，把地表沉陷 控制提高到针对具体开采条件的定量分析。该矿矿体埋深平均4 0 0 m ，分五个中段开 采，采用嗣后充填法，选用不同配比的尾砂胶结充填材料，改变充填材料的属性， 河北理工大学硕士学位论文 运用有限元来预测地表移动和变形，本论文试图解决云驾岭村庄下采矿面临的实际 问题，从而确保村庄和生活区不受地表陷落的危害。 一2 1 文献综述 1 文献综述 由于采矿速度有了很大提高，地表变形速度和变形方式有了新的变化，利用有 限元原理来分析采空区内充填材料的受力情况以及充填材料对地表沉陷的影响，从 而得出最优方案。解决建筑物下采矿的安全问题，减少地表下沉，这对采矿业在安 全预防和经济效益方面具有指导意义，并结合国内外的大量参考资料和丰富的经 验，来达到预期的效果。 1 1 开采沉陷在国内外的研究状况 几十年来，国内外学者以连续介质力学方法为基础建立了各种力学模型对岩层 移动与地表沉陷进行研究。1 9 4 7 年，前苏联学者阿维尔申利用塑性理论对岩层移动 进行了分析，并结合实践经验建立了地表移动计算方法下沉剖面方程呈指数函数形 式，提出了水平移动与地面倾斜成正比的显著观点。1 9 5 3 年，波兰学者萨武斯托维 奇利用弹性基础梁理论得出了波动下沉剖面方程【3 l 。6 0 年代，英国学者贝里和塞肋 斯将岩体视为均质弹性体，分为平面各向同性、横观各向同性与空间问题三类进行 分析。英国大量研究和发展了应甩典型计算地表移动的方法。美国学者萨拉蒙研究 弹性理论求解地表移动，提出了面元原理【4 l 。 近年来，岩体力学理论迅速的发展，推动了开采沉陷的理论研究。我国的邓喀 中博士采用断裂力学、损伤力学相结合的方法，分析了节理对地表移动的影响。学 者于广明从相似材料模型入手研究了节理岩体采动沉陷规律模型的损伤张量计算及 沉陷量的统计损伤分析。学者李云鹏提出开采沉陷粘弹塑性损伤模型，并进行实力 分析。 1 2 国内外充填材料稳定性研究现状 国内外充填采矿7 0 年代以来获得了很大发展，许多金属矿山特别是有色矿山和 黄金矿山，越来越多采用充填采矿法，相应国内外对充填材料强度的研究有所增 加。 加拿大的基德克里矿【5 】，采用分段火孔崩矿嗣后阶段充填法，主要采用块石胶 结充填。并在现场用三维测试仪监测了爆破震动对充填材料稳定性影响，用冲击波 理论分析确定了最佳方法。澳大利亚的巴莱特等人f 6 】用二维或三维有限元方法，将 充填材料做为线弹性体，对暴露胶结充填材料垂直壁的稳定性进行了分析研究。苏 河北理工大学硕士学位论文 联基申克矿f 7 1 就时间因素对充填材料影响做了研究，得出瞬时和长期荷载作用下计 算顶板和矿房跨度的公式。加拿大女王大学的米切尔对高窄充填材料的稳定性用离 心模型方法就爆破动载荷对充填材料稳定性影响进行了模拟研究。意大利某急倾斜 薄矿脉嘲，监测回采对胶结充填底柱的影响，进一步优化了结构参数。日本的山口 和山富应用平面有限元弹塑性模型研究了一个硐室在充填前后所引起的应变。江西 冶金学院的卢平【9 】从弹性理论和楔体滑动分析两方面探讨了胶结充填材料矿柱中的 应力分布，并用有限元进行辅证。陈俊彦【1o 】在美国矿业局用有限元法对胶结充填材 料的支撑作用做了大量的模拟分析，结果表明充填材料的弹性模量越大这种效果越 好。长沙矿山研究院的周先明【1 1 瞎人用有限元计算分析了下向胶结充填材料和采场 的稳定性问题。 1 3 村庄下采矿方法的可行性研究 1 3 1 地下开采对地表建翁物的影响 地下采矿对地表的影响主要有垂直方向和水平方向的移动和变形，包括下沉、 倾斜、曲率。不同性质的地表移动和变形，对建筑物的影响是不同的。地表产生的 移动和变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，同时力学平衡重新建立， 使建筑物产生附加应力，从而导致建筑物发生破坏。地表移动和变形对建筑物的影 响主要分以下几种。1 地表下沉对建筑物的影响。当建筑物所处的地表出现均匀下 沉对，建筑物中一般不会产生附加应力，但地表下沉量大而地下水位有很浅时，能 使潜水位上升，从面造成建筑物周围积水，改变建筑物环境，降低建筑物地基的强 度。2 地表倾斜对建筑物的影响。地表倾斜后会引起建筑物歪斜，而当建筑物歪斜 后在建筑物自重形成的偏心荷载作用下，产生倾覆力矩，内部产生附加应力。3 地 表曲率对建筑物的影响。曲率变形后地表出现原来的平面变成了曲面形状，建筑物 的荷载与土壤反作用力闯的平衡状态遭到破坏。4 地表水平变形对建筑物的影响。 地表水平变形对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，较小的地表拉伸 变形就能使建筑物产生裂缝们。 1 3 2 建筑物变形和破坏与地表变形的关系 地面建筑物的变形是由于地表变形传递给建筑物的基础而引起的，建筑物具有 一定的承受附加应力的能力，故地表变形与建筑物变形之间存在不一致性，建筑物 4 l 文献综述 变形与地表变形的关系与建筑物基础的材料、长度、宽度、荷载以及地基性质、建 筑物平面形状、上部结构的刚度等因素有关。在进行建筑物下采矿之前，先根据地 质、采矿条件作地表移动或变形预测，根据预测的变形值大小评定建筑物破坏程 度，然后据此采取相应的地面建筑加固措施或井下开采措施，最后确定建筑物下合 理的采矿方案。 根据我国建筑物下开采经验，下文给出了长度小于2 0 m 的砖石结构房屋，按不 同地表变形值划分破坏( 保护) 等级标准( 见表1 ) 。 表l 砖石结构建筑物破坏( 保护) 等级 t a b l e 1t h eg r a d eo f 晡c k 咖c t u 糟b u i l d j 咀g sb 佗a k ( p r o t e c t i o n ) 地表变形值 水平变形 曲率倾斜 破坏等级 建筑物损坏程度 k 损坏分类结构处理 ( m m m ) ( 1 0 一3 ( m m m ) m ) 墙壁上不出现或轻微损坏不修或简 l 少出现宽度小于 耋2 o耋o 2要3 o 或极轻微单维修 4 m m 的裂缝损坏 墙壁上出现4 1 5 m m 宽的裂 缝，门窗略有歪 耋4 0矗o 4墨6 o 轻度损坏小修 i i 斜，墙皮局部脱 落，梁支撑处稍 有异样 墙壁上出现1 6 3 0 m m 宽的裂 缝，门窗严重变 i i i 墓6 o善0 6，基l o o 中度损坏中修 形：墙身倾斜， 粱头有抽动现 象，室内地板开 裂或鼓起 墙身严重倾斜、 错动、外鼓或内 严蘑损坏大修或拆 i v 凹，粱头抽动较 6 0 0 6 1 0 0 或极度严建 大，屋顶、墙身 重损坏 挤坏，严重者有 倒塌危险 1 3 3 建筑物下采矿理论依据 理论研究及生产实践表明，建筑物下采矿的理论依据有以下几个方面。 1 建筑物允许变形值大于地表静态变形值，即固定开采边界上方的地表变形值 对建筑物不产生有害影响； 河北理工大学硕士学位论文 2 采取开采措施以减小地表变形值，使其达到上述要求； 3 采取建筑加固措施以提高其抗变形能力，使其允许变形值大于地表动态和静 态变形值； 4 建筑物允许变形值接近于地表静态变形值，采后有可能对建筑物进行维修。 符合上述条件之一者，建筑物下有可能进行安全开采，上述条件也是确定开采 措施及建筑物加固措施的根本出发点。 l - 3 4 建筑物的保护 对于下列建筑物，在进行矿井、水平、采区设计时必须划定保护矿柱。 1 矿井无可靠抗御地表变形措施的工业场地建( 构) 筑物，以及远离工业场地 的矿井主要通风机以及风道等设施，云驾岭铁矿主井留有一定的保安矿柱； 2 目前条件下采用不搬迁采矿在技术上不可能或经济上不合理，而搬迁又无法 实现，或在经济严重不合理的建( 构) 筑物； 3 矿层开采后，重要建( 构) 筑物所在处地表可能产生抽冒、切冒、滑坡等形 式的塌陷漏斗坑和突然下沉或滑动崩塌，造成对重要建( 构) 筑物地基严重破坏 的； 4 建( 构) 筑物所在处地表下砸潜水位高，采后因地表下沉导致建( 构) 筑物 及其附近地面积水，而又不能自流排泄、或采用人工排泄方法经济上不合理的。 地面建( 构) 筑物受采动后，是否会遭到破坏以及破坏程度，主要取决于地表 变形值大小和建( 构) 筑物本身抵抗变形能力。不同类型的建筑物有不同的抗变形 能力和相应的地表允许变形值，根据调查研究， 规程对于小于2 0 m 的砖混结构 房屋，按不同的地表变形值分为四级见表2 。 表2 矿区建( 构) 筑物保护等级划分 t a b l e 2p m l 优6 a lg m d eo f m m e m la r e 勰b l l i l d i i l g 保护等级主受建( 掏) 筑物 i 国务院明令保护的文物和纪念性建筑物，一等火车站，发电厂主厂房，大、中型矿 井主要通风机房，高速公路，机场跑道，高层住宅楼等 i i 2 2 0 k v 以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥，钢筋混凝土框架结构的 工业厂房，办公楼，医院，学校。百货大楼，电视塔及其转播塔，一级公路等 i i i 砖木、砖混结构平房或变形缝区段小于2 0 m 的两层楼房，村庄砖瓦民房，高压输 电线杆塔等 i v 农村木结构承重房屋，简易仓库等 - 6 l 文献综述 1 3 5 减少地表移动和变形的开采措施 在建( 构) 筑物下采矿时，当预计的地表变形超过建筑物能承受的变形时，应 从开采方面采取合适的技术措施，以减少地表变形值。 1 防止地表突然下沉 在一定的开采深度以下，进行建( 构) 筑物下采矿，需要查明建筑物下方是否 有老窑、废巷、岩溶、老井等空硐以及它们填实程度。如果这些空硐未填实而充满 积水，应采用灌浆等方法将空硐填满，排除积水，防止开采疏千老空积水疏降岩溶 含水层水位而造成地表突然塌陷。 2 减少地表下沉 在一般开采深度条件下，减少地表变形的途径是减少地表下沉值，减少地表下 沉的开采措旌主要有： 采用充填采矿法，减少地表下沉，其减少程度取决于充填方法和充填材料。合 理确定采宽和保留矿柱宽度是关键问题，留宽过大，采出率低，留宽过小，矿柱易 遭破坏；采宽过大，地表可能出现不均匀下沉，对保护建筑物不利，采宽过小，则 回采率低。云驾岭铁矿采用嗣后胶结充填采矿法，留有2 5 的矿柱。 3 消除或减少开采影响的不利影响 当几个矿层或同一个矿层的几个部分同时开采时，根据它们的工作面相互位置 关系，每个工作面的开采影响可能是互不联系的，也可能是彼此重叠的。如一个工 作面水平拉伸变形和第二个工作面的水平拉伸变形叠加，使地表出现的水平拉伸变 形值大大增加。 4 消除或减少开采边界的影响 保护矿柱很大时，一般应连续不停顿地进行回采，避免在矿柱范围内形成永久 性的开采边界，使本来只承受动态变形的地表发展到承受静态变形，对建( 构) 筑 物造成损害。经验表明，在有断层、采区边界、阶段或水平边界时，容易形成回采 工作面的长期停顿和永久性边界。因此，应在断层两侧，事先做好开拓准备工作， 尽可能地保证回采工作连续进行。 河北理工大学硕七学位论文 1 3 6 建( 构) 筑物的地面加固保护措施 建筑物下采矿时，如果只采取开采技术措施，还不能避免地表变形对建( 构) 筑物的破坏，或者采取开采技术措施在技术经济上不合理时，而需对现有建( 构) 筑物采取地面加固保护措施。 中国地域辽阔，建( 构) 筑物结构、材质、施工质量差异很大，尤其是广大农 村建( 构) 筑物更是如此。因此，加固保护建( 构) 筑物工作，是一件复杂和细致 的工作。一般原则是： 1 预计建( 构) 筑物将受到i 级破坏时，一般不需要采取加固保护措施，甚至 不需要采取全面维修的措施，而只需要进行局部维修。 2 预计建( 构) 筑物将受到i i 级破坏时，一般只需要采取简单的加固保护措 施。例如，挖补尝沟、设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、废钢丝绳圈梁和对长建 ( 构) 筑物增设变形缝等。 3 预计建( 构) 筑物将受到i 级破坏时，应采取中等加固保护措施，即除上述 简单加固保护措施外，还应增设基础应力梁( 包括纵、横向梁及斜梁) 、钢筋混凝 土柱等，并可采取一定的开采技术措施，以减轻开采影响对建筑物的损害。 4 预计建( 构) 筑物将受到i v 级破坏时，应采取专门加固保护措旌，即除上述 中等加固保护措施外，还应增设基础应力板等。同时，应采取旨在减小地表移动和 变形的开采技术措旋。 5 在技术和施工条件许可时，建筑物和构筑物应尽量选用静定结构体系，并采 用柔性大的轻质屋面材料，房屋基础部位设置滑动层。 6 对于地下管网，除采用临时性地面管网外，也可对其采取适当加固保护措 施。例如，管接头处设置柔性接头或补偿器、增设附加阀门、建立环形管网、修筑 管沟等。 7 每次开采前和地表移动稳定后，均需对建筑物、构筑物和设施及时进行修理 和调整。 8 对于设备和结构物，甚至房屋建筑物，在技术可能经济合理的情况下，可采 用调平、抬起等方法，以消除因采动引起的建筑物和构筑物及设备的歪斜。 9 对于农村单层和两层砖石建筑物，一般可采取圈梁、构造柱加固，同时将建 筑物长度控制在2 0 m 以内。 8 2 研究内容及方法 2 1 研究目标 2 研究内容及方法 目前矿产资源日益短缺的情况下，国家对矿山开采的要求愈来愈规范化，所以 及时处理采空区消除安全隐患，已是所有矿山面晴缶的亟待解决的重要课题。本论文 用有限元a n s y s 软件建立三维立体模型，根据弹塑性理论，采用数值模拟技术， 建立采空区模型，对采空区实施嗣后胶结充填，并逐步进行稳定性分析，对岩体进 行力学分析，研究充填材料加矿柱的充填效果，使地表变形在允许范围之内，从而 达到使地表不塌陷。 2 2 研究内容 研究内容具体包括： 1 对岩石的力学性质，岩体的地质构造，断层、断裂带的分布及发育情况，软 弱夹层的赋存情况以及充填材料材料的性质进行调查，获取第一手地质资料。 2 全面分析对地表沉陷有影响的因素，岩体力学性质，岩体地质构造，以及地 面建筑物等因素，通过分析比较，忽略次要因素，突出主要因素，也就是对受力条 件、采矿工艺以及采矿方法结构做必要的简化。 3 运用有限元软件a n s y s 来建立三维实体采场模型。在建立模型时对地质地 形、矿房、矿柱及充填材料等进行简化，分五个中段逐段进行模拟分析，形成个 动态的模拟效果，对充填和非充填的效果进行比较，得出使用那种充填材料，既能 有效控制地表沉陷，又能经济节约。 2 3 研究方法 2 3 1 有限元法的基本概念 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数 值分析方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问 题。 河北理工大学硕士学位论文 采用八结点四边形等参单元把模型划分成网格，这些网格称为单元。网格间相 互联接的交点称为结点，网格与网格的交界线称为边界。显然，图中的结点数是有 限的，单元数目也是有限的，所以称为“有限元法”。这就是“有限元”一词的由 来。 2 3 2 a n s y s 程序求解过程 图l 有限元模型 f i g 1 s y so f m o d e l 本课题使用有限单元法，有限单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方 法，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，有限元计算结果己成为各类工业产品 设计和性能分析的可靠依据。 将实体的对象分割成不同大小、种类、小区域称为有限元。根据不同领域的需 求推导出每一个元素的作用力方程，组合整个系统的元素并构成系统方程组，最后 将系统方程组求解。由有限元法的发展，该法具有下列的特色： 1 整个系统离散为有限个元素； 2 利用能量最低原理( m i i l i i m 衄p o t e f n i a le m r g yt k o r ”与泛函数值定理 ( s t a t i o r yf u l l c d o n a ln l e o r y ) 转换成一组线性联立方程组； 3 处理过程简明； 4 整个区域做离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗时； 5 线性、非线性均适用： 6 无限区域的问题较难仿真。 图2 有限元分析的流程图，一般完整的有限元程序( f i l l i t ee l e m e n tp r o 鲫m ) 包含 前置处理、 r e p r o c e s s i n g ) 、解题程序( s o l 嘶o r l ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。 - 1 0 2 研究内容及方法 图2 有限元分析流程图 f i g 2a n s y s 柚a l y s i sf l o wc h a n 1 前置处理 1 ) 建立有限元素模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次 2 ) 材料特性； 3 ) 元素切割的产生： 4 ) 边界条件： 5 ) 负载条件； 2 解题程序 1 ) 元素刚度矩阵计算晖l 】； 2 ) 系统外力向量的组合 日： 3 ) 线性代数方程【圈 ”) = f ) 的求解； 4 ) 通过资料反算法求应力、应变、反作用力等。 3 后置处理 将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不 同表示方式把等位移图等显示出来啪3 。 河北理工大学硕士学位论文 2 3 1 3 计算假设 1 对材料性质的假设 矿岩的力学性质是指它的弹性、塑性及各向异性等，根据在应力作用下所表现 出来的变形特性即本构关系，可将岩石分为线弹性体、弹塑性体及粘弹性体等多种 模型。然面模型愈精确，其所需参数越多越不好确定，计算时间成倍增长：另一方 面作为工程比较定性而言，选取弹塑性模型可以满足定性分析。因此根据计算目 的，这次模拟主要是评价矿山的采动效应，可不考虑长期时问效应的影响，选取弹 塑性模型为本次模拟计算的模型，以d i u c b 卜p r a g e r 屈服条件式来判断材料是否达 到屈服极限。 2 对采场结构的简化 云驾蛉铁矿所用的采矿方法是“大矿柱底盘漏斗采矿法”，这种采矿方法在采 准工作中掘进了阶段运输巷道、天井、联络道、拉底巷道等大量工程，但这些微小 结构对整个宏观的采场矿柱的稳定性来说，影响是很小的，因此在建立有限元模型 时，将这些结构忽略，把采场结构简化成图3 的形式。 图3 采场和矿柱的简化 f i g 3a d o p tt h ef i e l da n dm em i n c r a lp i l l 甜s i m p 拄6 c a t 沁雌 2 3 4 岩体的本构模型 岩体工程的设计计算和施工预测分析中，不仅地层参数的取值很重要，更关键 的是本构关系的形式。因其决定着参数的物理意义和取舍。然而，工程前期的地质 一1 2 一 2 研究内容及方法 勘察只能给出岩体的一些性质参数和按某种分类体系划分的粗略的岩体“类型”( 弹 性、弹塑性、粘性、非连续性等) 范畴，其精确的本构方程形式不得而知。由室内或 现场岩石力学试验得出的本构摸型因尺寸效应和受力环境不一致可能包含较大的差 异，另一方面，岩石力学基础理论研究揭示，即便是弹性类属的岩体可用于表示其 应力一应变关系的模型也有许多形式。更不用说弹塑性材料所能采用的本构模型。 1 弹塑性本构关系 设应力s 与应变e 的对应关系由下列函数关系结出： s = s ( e ，e 9 ，h 4 ) ( 1 ) 其中e ，为塑性应变张量，h ( 旺= 1 ，2 ，) 为反映不可逆变形历史的内变量；损 伤变量可看作为其中的一种。设其与塑性应变增量有如下的关系： 棚8 = m 。f 翘p = m 。：d e 9 ( 2 ) 设应力空间的屈服函数为： 八s ，e 9 ，日4 ) = o ( 3 ) 在上述假设下，弹塑性本构方程为： 帮= d 9 ：扭一( 4 ) 其中： d 肛警肥善。盖：。8 s ，0d础 一r + 善：肌蔷( 6 )。as茁 。 、。 r = 。参+ 券：x ：蓁( 乃、a e 9a 日4 7 雒 7 足= 皤+ 熹。_ 筹、a e 9a 日4 7 把 一 d = 参垂= 篆：肌扭( 9 ) 式中：口( 雪) 为加、卸载因子。 口( 蓟= o ，如果苁s ，昱，日4 ) o ； 口( 雪) = 1 ，如果，( s ，e 9 ，4 ) = o 且鸯o ； g ( 雪) = o ，如果，( s ，互9 ，胃4 ) = o且空 o 硬化状态； r = o 理想塑性状态； r o ，软化状态( 1 2 ) 上述本构方程可以考虑应力一应变响应关系( 1 1 ) 式为线性的情况，而且一般 情况下，塑性应变不再与屈服面正交。 2 弹塑性损伤方程 前面给出了弹塑性本构方程，将等效塑性应变和损伤变量作为内变量可建立 各向同性介质的弹塑性损伤本构方程。 在各向同性损伤中，有效应力与名义应力s 之间的关系可表示为 s ：丢( 1 3 ) 1 一西 、 式中损伤变量。可解释为损伤面积与总面积之比值，设用有效应力表示 ，( s ) 一七= o ( 1 4 ) 并设为s 的线性齐次函数，则据欧拉定理可由式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 得到含损伤变量 的屈服函数为： 八s ) 一( 1 一中) j | = o ( 1 5 ) 其中，中和k 都为等效塑性应变云一的函数，豆，定义为： e 9 = 日e 9 口 ( 1 6 ) 有效应力与弹性应变之间的响应关系可由广义虎克定律确定，并利用式( 1 3 ) ， 最后给出： s = ( 1 一庐) d 。：e 8 = ( 1 一) d 。：( e e 9 ) ( 1 7 ) 其中d 。为弹性系数张量，在这里为常数张量。由于式( 3 1 ) 中的随塑性应变而 变化，故不满足正交流动法则成立的条件，因而不能用d r u c k e r 假设建立本构方 程。 从式( 2 9 ) 可以看出，即使对于有效应力呈现理想塑性变形的材料，也会由于微 观结构的损伤而出现宏观程序的软化。 一1 4 一 2 研究内容及方法 损伤变量与等效塑性应变之间的函数关系，可通过弹性模量与等效塑性应变之 间的变化规律来确定。例如，对于单轴试验，如图4 所示。 由式( 3 1 ) 得； 0 e p e 图4 单轴实验曲线 f i 昏4c u “eo f u n i a x 湖e x p 鲥m e n t s = ( 1 一) 舾一( 1 8 ) 本文采用如下的损伤方程： 纠_ ( 1 一番甓) l - ( 1 9 ) 式中，量一。一为损伤开始时的等效塑性应交， 意，一为材料破坏时的等效塑性应变。 一一云，曲线如图5 所示。 1 5 河北理工大学硕士学位论文 0 图5 损伤变量与等效塑性应变关系 f 嘻5r e l 商帅0 f d 锄n 时v 鲥吖i ea n ds t r a i n 将和豆9 做为内变量处理，因而由式( 1 9 ) 得： 由式( 1 6 ) 得： 一一：蒜参 d h l ：瘟p ：m 2 ：d e p 。m 1 ：坠 。 e p 筹廿舳嘉刈删 将上式代入( 1 8 ) 得： 蔷。肌菩洲川：e 固膨t ( 2 l ， 州1 + 击e 。删小篇( 2 2 ) 七= e ：m 1 = 忐m 1 ：( d ) - 1 s ( 2 3 ) l 一中 、7 一” 从式( 1 4 ) 我们可以得到： t1 6 2 研究内容及方法 嘉一o ，嘉；m 。= 等肌参m 2 = 肼- 一c - 叫嘉m 2 ( 2 4 ， a e p。a h的 a e p 、 。d ep 、 将上工代入( 1 7 ) 得： r - ( ”哟嘉m 2 一肼1 ) x ：善( 2 5 ) k 和i 的计算式( 2 2 ) 和( 2 5 ) 与方程( 1 4 ) ( 1 6 ) 一起便构成了各向同性介质弹朔性损 伤的基本方程。公式里其它项可按常规的弹塑性理论处理，i 及嘉的计算，可由 三次b 样条函数分段拟合法确定。 2 3 5 稳定性评价指标 在不考虑节理弱面对稳定性控制的条件下，矿岩的稳定性主要由应力状态和矿 岩的物理力学性质决定的。综合考虑这两方面因素，本文采用适合岩石的摩尔库 仑( m o h 卜c o l 岫b ) 屈服函数作为评价指标3 如。 莫尔强度理论认为材料在压力作用下发生破坏或屈服，主要因某一截面上的剪 应力达到一定的限度，但也和作用在该面上的正应力有关。因为剪切的结果会使材 料沿该截面发生相对滑动。产生摩擦阻力。而摩擦阻力的大小取决于作用该面上的 正应力。这个情况和物体在平面上滑动时，正压力产生摩擦阻力的情况完全类似， 如图6 所示。 圈6 摩擦阻力图 f 唔6f i g u r eo f f h c t b n 要推动滑块a 的t 力大小，显然与p 力有关。由此可推测，当作用于某一截面 上的正应力为压力时，其值愈大，愈不容易发生沿该面的滑动( 破坏) 。反之，截 面上有拉应力作用时，其值愈大则愈易发生沿该截面滑动。所以材料破坏取决于作 用于破坏面上的剪应力和正应力，因而破坏并不沿最大剪应力作用面发生。 一1 7 河北理工大学硕士学位论文 由此可见，岩石在压应力场环境中，沿某一破坏面发生剪切破坏时，所需要的 剪应力t 与该面上的正应力a 之间存在一定的函数关系，可用下式表示： f 刁啊( 2 6 ) 这一函数关系称为莫尔强度条件。它在。呵平面上用一曲线表示，这条曲线通 常称为强度曲线。 每一种岩石都有它自己形状的强度曲线，因此，任何岩石强度曲线都需通过试 验求得。在图7 中给出几种岩石强度曲线。 tj 厂l ( a ) 花岗岩 tji ，7 l 一 口 tji ， l ( b ) 砂岩 tj t = c + 口t l 不。 f 巾 ( c ) 页岩 ( d ) 土岩 图7 几种岩石强度曲线 f i g 7s 仃蚰g m c u r v eo f 鞴v 吼il c i n d so f m c k 要精确确定一种岩石的强度曲线，需要做一系列试验工作。因为通过一系列不 同应力状态试验，便可求得一系列破坏状态。于是根据试验结果能做出一系列代表 这些破坏状态的极限应力圆。这些极限应力圆的包络线就是强度曲线，如图8 所 示。 一1 8 2 研究内容及方法 f _lt = h 叩 ? f 图8 翼尔包络线图 f i g 8m o m c u r v e 包络线上所有点反映了该种岩石在切危险状态下t = 坟o ) 这一函数关系，即 反映出沿某一破坏面剪坏时，所需要的剪应力与正应力。 在生产实践中，如已知作用在某一个平面上的正应力和剪应力，便可根据该种 岩石的强度曲线判断能否沿该平面发生剪切破坏。如反映该平面上正应力a 、剪应 力t 的点，落在强度曲线上，则反映刚好处于极限状态。如反映该平面应力状态的 点，落在强度曲线之内，则表示不会沿该面发生剪切破坏。反之，落在强度曲线之 外，则会沿该面发生剪切破坏。 从目前存在的强度理论看，莫尔强度理论的主要优点是能较全面地反映岩石的 强度特征。它不仅适用于塑性材料，还适用于脆性材料的剪切破坏，很好地反映了 岩石抗拉能力远小于抗压能力这一特点。它能满意地反映出岩石在三向受拉时会发 生破坏( 由于曲线在拉伸区内闭合) ；岩石在受三向等压缩时，不会发生破坏( 强 度曲线在压缩区内不闭合) 的现象( 如图8 所示) 。 库仑一奈纳尔理论为莫尔理论的特例，强度曲线为直线。因而人们把它称为莫 尔一库化理论。摩尔一库仑理论的强度表达式为：r = c + 啦口。其中，r 为作用在 破坏面上的剪应力c 为岩石纯剪切强度( c = r o ) ，岩石颗粒间边结力，称为内 聚力。d 为正应力。中为岩石内磨擦角，嘴口为岩石发生剪切破坏时，作用于破坏 面上的摩擦阻力4 i 。 1 9 河北理工大学硕士学位论文 在云驾岭铁矿。采空区采用尾砂胶结充填后，矿柱被充填材料包裹，增加了矿 柱的宽度，也即增大了矿柱核部的侧向压应力。根据摩尔一库仑强度理论可知，随 着侧向压应力越大，则矿柱的支撑能力将越强。因此本次分析使用摩尔一库仑屈服 函数作为稳定性评价指标是合理的。 2 4 有限元法计算的基本思路 1 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离 散后单元与单元之间利用单元的结点相互连结起来；单元结点的设簧、性质、数目 等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单元划分越细 则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元法中分析 的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成 的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得