有色金属科学与工程  2013, Vol. 4 Issue (2): 46-50
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赵奎, 邵海, 徐峰, 曾鹏, 邓晓平, 王明. 某铜矿不同采矿进路布置开采稳定性数值模拟[J]. 有色金属科学与工程, 2013, 4(2): 46-50. DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2013.02.009.
ZHAO Kui, SHAO Hai, XU Feng, ZENG Peng, DENG Xiao-ping, WANG Ming. Numerical simulation of stability of mining of different mining entrances in a copper mine[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2013, 4(2): 46-50.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2013.02.009.
某铜矿不同采矿进路布置开采稳定性数值模拟[PDF全文]
赵奎1a, 邵海1b, 徐峰2, 曾鹏1b, 邓晓平1b, 王明1b    
1a. 江西理工大学, 工程研究院, 江西 赣州 341000;
1b. 江西理工大学, 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000;
3. 江西省安全生产监察总队，南昌 330030
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目资助（2011cb411913）；科技部十一五科技支撑计划项目（2008BAB32B03）；江西省教育厅青年科学基金项目（GJJ11137，GJJ12361）
作者简介： 赵奎(1969-)，男，博士，教授，主要从事岩石力学与工程方面的教学与科研等工作，E-mail：yglmf_zk@163.com
收稿日期：2012-12-17
摘要：某铜矿井下现采用3种不同采矿进路布置开采方案.为研究不同采矿进路布置方案的开采稳定性，在前期现场调查、室内实验的基础上，利用ANSYS软件进行建模，然后导入FLAC3D有限差分软件中，采用摩尔-库仑破坏准则计算，模拟自重条件下，3种不同方案的应力分布情况.分析3种不同采矿进路布置开采后的最大及最小主应力分布情况，研究结果表明：采矿进路布置沿矿体走向与上盘接触的开采稳定性程度最低.
关键词： 采矿进路    稳定性    数值模拟    
Numerical simulation of stability of mining of different mining entrances in a copper mine
ZHAO Kui1a, SHAO Hai1b, XU Feng2, ZENG Peng1b, DENG Xiao-ping1b, WANG Ming1b    
1a. Engineering Research Institute, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
1b. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
3. Jiangxi Provincial Corps of Safety Supervision, Nanchang 330030, China
Abstract: The paper adopts three different approaches of mining entrances under the well in a copper mine. In order to study the stability of different approaches, three models are built by using ANSYS software based on the field investigation and laboratory experiment, then led into FLAC3D finite software. Adopting Moore -Coulomb failure criterion calculation, three different schemes of stress distribution are simulated in gravity conditions in order to study stability. Through the analysis of the maximal and minimum principal stress after mining in three different mining entrances, the results indicate that the stability of mining vertical the ore body strike connected with the upper plate is the lowest.
Key words: mining entrance    stability    numerical simulation    
0 引言

某铜矿采用下向进路尾砂胶结充填法采矿，进路空间位置布置的不同是影响采场稳定性的重要因素[1-2].为给矿山提供不同采矿进路布置方案开采稳定性，采用ANSYS和FLAC3D数值模拟软件进行不同采矿进路布置条件下采场稳定性数值模拟分析，进而指导现场施工[3-5].

1 不同采矿进路布置方案

某铜矿矿体赋存条件复杂，其中下盘围岩中等稳固，上盘围岩为强风化岩组，极不稳固.现场施工工程实践表明，采矿进路与矿岩体空间位置关系可分为3种：

（1）方案1：垂直矿体走向与上、下盘接触；

（2）方案2：沿矿体走向与下盘接触；

（3）方案3：沿矿体走向与上盘接触.

不同采矿进路布置示意图见图 1.

图 1 不同采矿进路布置示意图

2 数值模拟计算模型 2.1 计算模型

本次数值模拟采用ANSYS三维有限元数值模拟软件建立单元模型，然后导入到FLAC3D有限差分数值模拟软件中进行运算分析[6-9].依据工程概况，模型几何尺寸见表 1，计算模型共划分为101 141个单元，共计18 160个节点，计算模型见图 2，隐藏上盘后模型见图 3，开采进路模型见图 4.

表1 模型几何尺寸
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图 2 计算模型

图 3 隐藏上盘后模型

图 4 开采进路模型

2.2 地应力场及模型边界条件的确定

将模型顶部边界采用自由边界，模型底部边界采用垂直方向的位移约束.模型的前后、左右采用水平方向的位移约束，模型的原岩应力场由自重应力场作用自动生成.

2.3 矿岩力学参数

经相应折减换算后，模拟矿岩及充填体的物理力学参数见表 2.

表2 矿岩及充填体物理力学参数
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2.4 介质力学模型与破坏准则

本分析将围岩、矿体及充填体均视为各向同性的弹性连续介质.建立模型后，使用Mohr-Coulomb准则作为岩体的破坏准则，Mohr-Coulomb准则的剪切破坏判据如式（1）、式（2）所示：

(1)

其中，

(2)

式（1）、式（2）中：σ1为最大主应力（压应力为负值）；σ3为最小主应力；c为黏结力（或内聚力）；φ为内摩擦角. f为破坏判断系数，当f≥0时，材料处于塑性流动状态；当f≤0时，材料处于弹性变形阶段.

在模拟过程中，模型变形设置为大变形.

3 模拟过程结果分析

按采矿进路与矿岩体空间位置关系的不同分3种方案进行计算，通过数值模拟得到进路回采后矿岩体及充填体的最大与最小主应力结果，将数值计算结果进行比较.具体模拟结果见图 5~图 7.

图 5 方案1最大及最小主应力云图

图 6 方案2最大及最小主应力云图

图 7 方案3最大及最小主应力云图

通过分析方案1、方案2和方案3的最大及最小主应力云图，见图 5~图 7.从图 5可以看出，进路开挖后应力集中区域为顶板和进路端部.其中顶板主要受拉应力控制，其最大拉应力值为0.078~0.389 MPa，该值小于充填体抗拉强度，说明充填体可以维持开挖后进路顶板的稳定性.进路前后两端及两帮受压应力控制，进路端部压应力集中程度较高，端部底角最大压应力大小为2 MPa，两帮压应力大小为0.75 MPa.

从图 6可以看出顶板中间与充填体侧帮顶角之间的区域受拉应力影响，最大拉应力值为0.1~0.15 MPa，而充填体侧帮受压应力影响，最大受压值为1.4~1.5 MPa.以上数值小于充填体自身强度，这表明进路将处于较安全的环境下[10-12].

分析图 7表明进路开挖后应力主要集中在顶板和进路的强风化侧帮顶角和底角处.顶板最大受拉应力值为0.2~0.36 MPa，软岩侧帮底角最大受拉值为0.4~0.56 MPa.充填体及矿岩体抗压不抗拉，易发生破坏.进路两侧帮出现压应力集中尖点，最大受压值可达10~10.6 MPa，超过充填体及强风化岩体的强度值.在此情况下，采场极可能发生严重片帮，进而可能导致顶板垮塌[13-14].

综合模拟过程中的最大与最小主应力分析可得：采矿进路布置沿矿体走向与上盘接触的开采稳定性程度最低，不宜采用[15].

4 小结

（1）对某铜矿不同采矿进路布置开采方案稳定性的数值模拟分析，可得到针对此矿山不同采矿进路布置方案开采稳定性的程度，避开稳定性程度最差的进路布置开采方案；

（2）通过分析可知数值模拟可以作为一种有效的手段确定此矿山不同采矿进路布置方案开采稳定性，进而指导现场施工.

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