鸡笼山金矿采场结构参数的数值模拟分析

1、鸡笼山金矿采场结构参数的数值模拟分析3刘祖德, 赵云胜(中国地质大学工程学院, 湖北武汉430074摘要:根据鸡笼山金矿盘区机械化分层充填采矿法的特点及工程地质与环境条件, 建立了其采场模型, 进行了模拟分析。根据计算结果, 关键词:中图分类号:T D853. 34:A 文章编号:1005-2763(2007 06-0007-02Nu m er i ca l S i m ul a ti on of Structure Param eters of Stopei n J ilongshan Gold M i n e L iu Zude, Zhao Yunsheng(Faculty of Engi

2、neering, China University of Geosciences,W uhan, Hubei 430074, China Abstract:According t o the characteristics of mechanized panel and slice st op ing with fill, as well as the Engineer Geol ogical and envir on mental conditi ons in J il ongshan Gold M ine, the st ope model of the m ining method wa

3、s established, and a nu merical si m ulati on was made on the excavati on p r ocess . On the basis of the results obtained fr om nu merical si m ulati on, the sizes of r oom st ope and p illar st ope and the material rati o for cemented tailings backfilling have been op ti m ized and deter m ined .K

4、ey W ords:Mechanized panel and slice st op ing with fill, St ope structure model鸡笼山金矿是湖北省一大型金矿床, 矿体顶、底板主要为大理岩、花岗闪长斑岩, 次为矽卡岩, 矿体主要赋存在接触带及其附近地段, 矿石主要为矽卡岩型, 次为大理岩型和斑岩型。鸡笼山金矿采用的采矿方法为盘区机械化分层充填采矿法, 分2步回采, 先采矿房, 尾砂胶结充填, 后采矿柱, 采用全尾砂充填, 每分层用全尾砂加高水固化材料胶结铺面。为维护鸡笼山金矿地表稳定, 延长地面工业和生活服务设施的服务年限, 确保地下采矿过程中采空区的安全稳定,

5、防止地表出现大规模移动或变形, 以及在盘区机械化分层充填法2步回采时, 为保证分步骤开采采场和尾砂胶结充填体的稳定性, 必须, 。本文采用有限元法进行模拟分析。1模型建立模拟计算步骤见表1。表1计算模拟简要说明模型计算步骤简要说明M 11模拟计算原岩应力2开采-250m 中段矿房3充填-250m 中段矿房, 开采-250m 中段矿柱4充填-250m 中段矿房, 开采-210m 中段矿柱5充填-210m 中段矿房, 开采-210m 中段矿柱6充填-210m 中段矿房, 开采-170m 中段矿柱7充填-170m 中段矿房, 开采-170m 中段矿柱8充填-170m 中段矿柱M 21模拟计算原岩应力

6、2开采矿房3充填矿房, 开采矿柱4充填矿柱备注:模型1分两次计算, 第一次矿房、矿柱采场全部采用尾砂胶结充填; 第二次矿房采场采用尾砂胶结充填而矿柱采场采用尾砂充填; 模型2矿房采场采用尾砂胶结充填, 其上留4m 不充, 待充填矿柱采场时再进行尾砂充填。模型M 1模拟从-250m 到-140m 水平大面积开采时的地表沉降及稳定性。模型沿矿体倾斜方向选取计算剖面, 分步骤模拟计算从-250m 到-140m 水平, 开采范围达200m 110m 时地表的沉降及稳定性状况。因鸡笼山金矿地表较平坦, 模型不考虑地表起伏。模型M 2则模拟-250m 水平采场取不同的矿房和矿柱尺寸时采场稳定性状况, 以优

7、化采场结构参数。M 2模型的矿房和矿柱尺寸组合见表2。2参数选择综合各种类型试验研究结果, 本研究推荐表3I SS N 1005-2763CN 43-1215/TD 矿业研究与开发第27卷第6期M I N I N G R &D, Vol . 27, No . 62007年12月Dec . 20073收稿日期:2006-12-13作者简介:刘祖德(1969- , 男, 湖北人, 讲师, 博士, 主要从事地质勘探安全技术教学和理论与应用研究, Email :liu_zude 。中的一组参数作为计算的基本力学参数。该组参数取值有一定的安全储备, 并与宏观力学性质较接近, 因此将这组参数作为本次模拟计

8、算的矿岩参数, 符合实际情况, 表中充填体弹性模量取自4种不同灰砂比的尾砂胶结充填材料试块在相同浓度和龄期下的测试值。尾砂胶结试块的强度和弹模见表4。表2矿房、矿柱宽度组合矿房a(m 矿柱b(m 组合矿房a(m 矿柱b(m3材料力学参数材料类型弹模(MPa 泊松比粘结力(MPa 内摩擦角( 容重(k N /m3 抗拉强度(MPa 矿体98000. 250. 4437301. 76围岩72000. 270. 7236270. 85尾砂120. 000. 350. 0730200. 005尾砂胶结试块E 11319. 070. 30. 2849250. 486E 2311

9、. 730. 30. 2849250. 486E 3349. 280. 30. 2849250. 486E 4218. 510. 30. 2849250. 486表4尾砂胶结试块弹模和强度(料浆浓度70%试样组号平均单轴抗压强度(MPa 平均弹模(MPa 重量灰砂比120. 421319. 071426. 88811. 731635. 19349. 281844. 00218. 51110对鸡笼山矿原岩应力实测得出, 矿区岩体初始应力的垂直分量与岩体自重应力十分接近, 可以近似地认为垂直应力分量Z =H; 水平应力分量H =KH 大于或等于垂直应力分量, 考虑到地质推论及实测值, 在本次计算中

10、取K =1. 2, 在模型M 1中q 0=0, 在模型M 2中q 0=-3. 24MPa 。3强度准则岩体受压时的弹、塑性分析, 采用德鲁克-普拉格(D rucker -Prager 强度准则46, 其表达式为:F =I 1+2-K式中:J 2应力第二不变量;I 1应力偏量第二不变量;K 、材料常数。以上参数可由下式求得:I 1=x +y +z =1+2+3J 2=1/6x -y 2+(y -z 2+(z -x 2+2xy +2yz +2zx=(3-sin K :, :F =i -R t 0(i =1, 2, 3 初次拉裂后:F =i 0式中:i 主应力分量;R t 岩体单轴抗拉强度。4开挖过

11、程模拟的实现有限元法把重力应力场和构造应力场视为初始应力场, 采矿形成采空区产生卸载, 由此引起二次应力扰动与调整。即采用“应力反向法”来实现模拟采矿过程。首先计算出沿开采面的应力值, 并根据这些数值利用线性插值法, 计算出开采边界上的各单位节点所受的等效节点力, 然后颠倒力的符号, 将其作用到有限元法网格上, 同时将挖掉单元的弹模减少到一个无意义值, 在此情况下计算出的应力、应变、位移值(即扰动值 迭加到初始数值上, 便得到开采后的应力、应变、位移值, 开采过程的模拟便得以实现。5模型计算结果及结论模拟计算结果表明, 矿房矿柱全部尾砂胶结充填的最大地表倾斜值为-0. 9393mm /m, 最

12、大水平变形量值为-0. 4527mm /m, 最大曲率为1. 23710-5m -1。按这4种灰砂比配合尾砂胶结充填材料时, 全胶结充填和部分胶结充填都不会对地表已有建筑物的安全稳定带来较大的危害, 不会造成大规模的地表移动和破坏。因此, 采用矿房胶结充填、矿柱尾砂充填的二步骤回采方案是合理可行的。根据二步骤回采充填体的自立稳定性要求和尾砂充填材料试验研究结果, 选择灰砂比18的尾砂胶结充填材料进行采场充填, 据此进行采场结构参数优化。结果表明:采用灰砂比18的尾砂胶结充填材料(单轴抗压强度R 28=2. 90MPa, R 90=5. 19MPa , 矿房尾砂胶结充填、矿柱尾砂充填, 矿(下转

13、第15页8矿业研究与开发2007, 27(6 图6, 用后, 理论的模拟结果是不能体现这种变化的。(3 返修方案计算结果表明, 反拱不仅使底板的损伤范围、损伤严重区域和变形量得到了有效控制, 而且对两帮的损伤区域、变形量也有一定程度的减少。这表明返修方案比原支护方案有其优越性。现场试验结果也表明返修支护方案是成功的, 能维持巷道的稳定。3结论随着煤矿开采深度的增加, 基于连续介质力学的数值分析结果已经不能够准确描述深部围岩的真实变形, 引入损伤理论进行数值分析有着非常重要的意义。对于处在深部高地应力区的巷道维护是十分困难的, 可以通过基于损伤理论得到的围岩开挖损伤区来分析围岩和支护的相互作用以

14、及不同支护方式对损伤区的影响, 这对选取合理的巷道支护方式是。基于损伤理论得到的巷道位移场和损伤场与实际情况较为吻合, 可以通过开挖损伤区范围来确定围岩松动圈厚度, 从而可为基于松动圈支护理论的巷道支护设计提供依据。参考文献:1朱维申, 程峰. 能量耗散本构模型及其在三峡船闸高边坡稳定分析中的应用J .岩石力学与工程学报, 2000, 19(3 :261264.2朱维申, 李术才, 程峰. 能量耗散模型在大型地下洞群施工顺序优化分析中的应用J .岩石力学与工程学报, 2001, 23(3 :333336.3董方庭, 等. 巷道围岩松动圈支护理论及应用技术M.北京:煤炭工业出版社, 2001.4

15、刘刚, 宋宏伟. 煤巷围岩松动圈规律研究J .煤炭学报,2002, 27(1 :3135.5李天斌, 王兰生. 卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的实验研究J .岩石力学与工程学报, 1993, 12(4 :321327.6彭瑞东. 基于能量耗散及能量释放的岩石损伤与强度研究D.北京:中国矿业大学, 2005.7余寿文, 冯西桥. 损伤力学M.北京:清华大学出版社, 1999.(上接第8页 房宽度取10m 、矿柱宽度取8m 时, 能够确保采场作业安全, 同时能防止造成大规模地表移动与破坏, 确保地表建构筑物的安全稳定。参考文献:1杨庆雨. 采场稳定性及结构参数的有限元数值模拟研究J .化工矿物与加工, 2006, (8 :13.2吉学文, 唐绍辉, 李爱兵. 某地下矿山采场与围岩稳定性三维有限元模拟研究J .矿业研究与开发, 2003, (2 :2427.3施建俊, 孟海利. 采场结构参数与回采顺序的数值模拟优化研究J .有色金属, 2005, (2 :911.4庙延钢, 陈俊智, 等. 龙首矿下向六角形大断面进路结构参数确定与充填体稳定性研究报告M.昆明:昆明理工大学.5杨官涛. 地下采场结构参数数值模拟研究J .矿冶工程,2006, (5