采矿环境再造人工结构受力理论分析与数.doc

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1、精品论文采矿环境再造人工结构受力理论分析与数值模拟周科平，胡建华，雷涛5（中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083） 摘要：基于弹性理论和细观有限元模拟技术，以新疆喀拉通克铜镍矿采用的采矿环境再造深 孔诱导崩落采矿法为研究对象，通过理论计算和数值模拟综合分析的方法，对开挖状态下采 矿环境再造人工结构的力学状态和响应规律进行了研究，得到了其稳定性情况和应力分布及 演化规律。结果表明：随着开挖的进行，人工顶板从受压转为受拉，开挖结束后，人工顶板10整体处于受拉状态，其两边应力集中现象明显，而中部拉应力最大，最大沉降位移达到6.6cm；人工条柱在开挖的第 1 和第 2 步应力变化剧烈，但两侧的

2、人工条柱稳定性状态有一 定的差异，右侧人工条柱中、上部受拉明显，发生破坏的可能性更大；人工结构整体稳定性较好，可为采矿生产提供一个安全的作业空间，实现采矿环境再造。关键词：采矿工程；环境再造；力学分析；数值模拟；人工顶板；人工条柱15中图分类号：TD851Theory Analysis and Numerical Simulation on Mechanics Response of Mining Environment Regeneration Structure ZHOU Keping, HU Jianhua, LEI Tao20(School of Resources and Safet

3、y Engineering, Central South University, ChangSha 410083)Abstract: Based on the elastic theory and meso-finite element method, took the method of miningenvironment regeneration with deep-hole induced caving of Kalatongke Copper-nickel Mine in Chinas Xinjiang Autonomous Region as research object, the

4、 mechanics state and response characteristics of mining environment regeneration structure under excavation were studied, and25its stability and stress distribution law were got too. The result shows that the artificial roof willfrom compression state to tension state as the increase of excavation s

5、teps, and the whole artificial roof is in the tension state after the excavation. The stress concentration in the both sides of artificial roof is obvious, and the maximum tension stress is present to the central area, the maximum settlement displacement is 6.6 cm. During the 1st and 2nd excavation

6、steps, the stress in30artificial strip pillar has great change, and there are some differences of stability of the pillars of two sides. Because of influence of tension stress, there is a greater possibility of damage in right pillar than the left. The artificial structure overall stability is good,

7、 so it is able to provide a safe work space for mining production and realize the mining environment reconstruction.Keywords: Mining engineering; Mining environment regeneration; Mechanical analysis;35Numerical simulation; Artificial roof; Artificial strip pillar0引言地下矿山采矿系统是一个典型的复杂巨系统，该系统由一系列相互作用和联系

8、的复杂子 系统构成。这些子系统具有不确定性、非线性、突变性以及随机性等特点1，使得地下矿40山系统的平衡很容易在各种因素的影响下被打破。为了处理采矿生产导致的地压影响，平衡地下矿山力学系统，地下采矿通常采用空场法、充填法和崩落法 3 种方法进行生产。这 3 种方法虽有差别，但其采矿过程总体上仍可分为两个步骤，首先在留有大量原生矿柱的情况 下对矿房进行开采，然后再在此基础上回收矿柱和处理空区。这种传统的采矿思想面临着的基金项目：国家自然科学基金面上项目（51274253）；博士点基金（20090162110036） 作者简介：周科平，（1964-），男，教授、博导，主要从事安全高效采矿方面的研究

9、。 通信联系人：雷涛，（1983-），男，博士研究生，主要从事岩石动力破坏和安全高效采矿技术研究。 E-mail:leitao539- 9 -主要问题是在后期回收时生产工艺极其复杂、生产效率极低、安全性极差，在产生很高生产45成本的同时带来很大的资源损失1,2。 “采矿环境再造”是指通过相关的工程技术手段，人为自主地改造不利于安全高效开采的矿体赋存地质环境，创造出有利的采矿环境，实现对矿体的安全高效开采3。采矿环境 再造技术要成功实施，首先要保证为重构采矿空间而构筑的采矿环境再造人工结构的稳定 性。目前，在地下结构稳定性方面，国内外很多学者开展了大量的研究。高峰4在结构力50学分析的基础上，建

10、立了基于遗传算法的采场顶板安全厚度的分析模型。李江腾5通过引 入突变理论分析了不同条件下矿柱的稳定性条件和时间相依性特征。朱维申6、冯梅梅7 和严国超8等则利用相似模型试验开展了不同环境下地表及围岩的变形破坏特性和力学演 化规律的研究，提供了保证地下工程稳定性的结构参数。刘涛9、何满潮10和 LI Z K11 等通过数值模拟方法研究了硐室开挖工程中围岩的力学变化规律和地下结构的稳定性。55本文以新疆喀拉通克铜镍矿采用的采矿环境再造深孔诱导崩落采矿法为研究对象，建立 了采矿环境再造人工结构的分析模型，根据岩石力学、结构力学和弹性理论的基本原理对其 进行了受力分析，并采用 RFPA 软件对其力学响

11、应特征和裂隙分布情况进行了研究。1采矿环境再造深孔诱导崩落采矿法喀拉通克铜镍矿工程地质条件复杂。矿体倾角为 6585，倾斜延深 380m620m，60走向长度为 650m，平均厚度 31m。矿体节理裂隙发育，富含裂隙水，没有较大的断层，矿 岩稳固性较差。该矿采用盘区下向水平分层胶结充填采矿法生产。在实际生产中，这种采矿 方法表现出采矿成本高、生产效率低、盘区生产能力小和工人劳动强度大等几个突出的问题。 为了克服这些问题，设计采用采矿环境再造深孔诱导崩落采矿法替换盘区下向水平分层胶结 充填采矿法，试验矿段标高为+598+651。采矿方法如图 1 所示。10m36m9m1 2 3 4 5 66m2

12、5m1戈壁料充填体4 胶结充填体间柱2锚杆5 充填通风天井653加筋胶结充填体顶板 6深孔凿岩巷道图 1 开采环境再造深孔诱导崩采矿法示意图Fig.1 The method of mining environment regeneration with deep-hole induced caving2采矿环境再造人工结构受力分析70如图 1 所示，采矿环境再造人工结构的主要组成部分为人工顶板和人工条柱，亦即通过 人工顶板和人工条柱构筑出一个封闭的采矿空间，然后在这个再造出的采矿环境内采用强制 和诱导耦合结合的落矿方式进行回采。在此，对人工顶板和人工条柱进行力学求解，求解模 型如图 2 所示。

13、75（1） 整体分析模型； （2） 条柱分析模型 图 2 采矿环境再造人工结构力学分析模型Fig.2 Mechanical analysis model of mining environment regeneration artificial structure2.1人工顶板受力分析80由图 2 所示，可将人工顶板受力模型看成是“两侧弹性基础之上的板结构力学模型”12进行求解。在求解时，为计算简便，作如下假定：（1）由于水平应力对人工顶弯曲影响很小13，故不考虑水平应力的影响；（2）上覆岩层对人工顶板的作用主要来自于重力，模型中以 qz 的均布荷载添加，且计 算时由于人工顶板自重影响甚微，故

14、不予考虑；85（3）考虑到位于人工条柱上的那部分人工顶板不会先于采场上方那部分人工顶板破坏，故将计算范围设定为 l x l 。这样，对于图 2 所示的模型，可以得到人工顶板的扰度曲线方程为：() =1 1()41 ()()3 1 q l2 ( ) =1 (1+ 2l )1+l () = 1 (1+l )(2 +l ) W l x l =q x l +T + q l x l +M + T l + zx l M +T +q l x l +M +T +q lz zz z D 24 6 02 0 02 02 0 2 2 2 0 0 290式（1）中， E = j11 4 3(1 2 )E 4 = j

15、（1）（2）4DhEh 3h 2 1 2 q l ( 2l 2 + 3 l + 3)M = z 06 (l + 1)Eh 3D = 2 12(1 2 )（3）（4）上述各式中，W (x) 为顶板的扰度； 为结构特征参数；D 为顶板的挠曲刚度；l 为采场半95宽；h1 、h2 分别为顶板厚度和采场高度；M 0 、T0 分别为顶板在 OO剖面的弯矩和剪力，qz 为顶板垂直均布载荷； E 、 E j 分别为顶板和矿柱的弹性模量； 为顶板材料的泊松比。进一步求得弯矩为：22 2 M ( x) = D d W ( x)1 q x2 + M= 1 q x 2 qz l ( l+ 3 l + 3)=dx22

16、 z0 2 z6 ( l + 1)（5）由式（5）可知，人工顶板中最大拉应力出现在图 2 中的 O点处，其值为：精品论文1006 M (0)q l ( 2l 2 + 3 l + 3) z t max =2=h ( l + 1)h 2（6）11最大剪应力出现在 x= l和x=l 处，其值为： max = 3qz l 2h1（7）1052.2人工条柱受力分析将人工条柱独立出来进行分析，图 2 为人工条柱分析的力学模型。由图 2 可知，人工条 柱两侧并非都为临空面，其中一侧会受到岩体的作用。值得注意的是，岩体与土体存在显著 差别，不能简单地按主动土压力的方法计算岩体对人工条柱的作用力，需进行现场的测

17、试，14,15设人工条柱所受侧应力为 0 。根据弹性理论条柱顶部所受应力 qz 按式（8）计算：的原理，进行如下的计算：110qz =1 gbh1 +qz式中， 1 为人工顶板的密度； g 为重力加速度；b 为人工条柱宽度。（8）显然条柱内的垂直应力 x 由条柱顶部所受垂直载荷引起，水平应力 y 则主要来自于侧压力。且水平应力 y 可表示为：115式中， 为应力函数。 对式（9）进行两次积分有： y =2=xf ( y )x2（9）1考虑相容方程条件有： = x36 f ( y ) +xf1 ( y ) +f2( y )（10）f ( y ) =Ay3 +By2 +Cy+D（11）f ( y

18、)= -A 10 y5 - B 6 y4 +Gy3 +Hy2 +Ky（12）( )32120f2 y =Ey +Fy（13）将式（11）、（12）和（13）代入式（9），分别考虑条柱各个边界条件，就可得到条柱内的各应力分量。对边界条件不加赘述，各应力分量如式（14）、（15）和（16）所示。 = 2 0x3 y+ 3 0xy 4 0xy3 qz（14）xb35b b3b 2 y33 y1 y = 0 x b32b2（15）2 4 2125 =- x2 3 y 3 y+ 3 y b （16）xy0 b34b 0 b310b80 式（14）表明，条柱内部垂直应力与顶部所受压力成正比，同时也受侧应力

19、影响；式（15）和（16）表明，条柱内部的水平应力和剪应力与顶部载荷无关。3采矿环境再造结构力学响应数值模拟1301353.1模型构建数值计算模型采用 RFPA 软件进行。该软件将细观损伤力学与有限元方法进行结合，能 够较好地模拟岩石材料渐进破坏过程。数值计算几何模型如图 3（1）所示，数值计算模型如图 3（2）所示。根据现场地应力 的测试结果，在模型顶部添加 11.2MPa 的均布荷载，在左侧添加 8.76MPa 的均布荷载，其 他边界均为位移约束。岩体的破坏采用 Mohr-Coulomb 强度准则来描述。细观基元的力学参 数服从 Weibull 分布的统计规律，其基本方程为16：f ( u

20、 ) = m u(u u)m 1 exp ( u u )m（17）000式中：u 为服从 Weibull 分布的参数(强度、弹性模量、泊松比等)；u0 为与所有单元参数均 值相关的参数，且不等于平均值； m 为均质度系数，决定了 Weibull 分布密度函数的形状， 反映了参数u 的离散程度。140（1）几何模型（2）有限元模型图 3 计算模型Fig.3 Calculation models123475869145150图 4 试验模型测点布置图Fig.4 Layout of measuring points表 1 材料的物理力学参数Tab. 1 Physico-mechanical para

21、meters of materials单轴抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa)泊松比密度/(gcm-3)凝聚力/MPa内摩擦角/()围岩110.15.4290.272.9501.8545矿体124.25.8570.273.272.523人工顶板201.8250.262.220.835人工条柱101.58.20.32.220.332数值模拟的岩石力学参数如表 1 所示，其中单轴抗压、抗拉强度和弹性模型的均质度系精品论文155160165170数取 2，其他参数取 100。为分析方便，在模型中设置如图 4 所示的测点。3.2结果分析（1）第 1 步； （2）第 2 步； （3）第 3

22、 步； （4）第 4 步； （5）第 5 步； （6）第 6 步 图 5 开挖过程最大主应力变化云图Fig.5 Maximum principle stress contours of excavation process图 5 为开挖过程中数值模型及其最大主应力的变化情况。由图 5 可知，在整个开挖过程 中，人工结构整体保持稳定，可以回采矿生产提供一个安全的作业空间。但是，在人工顶板 与人工条柱连接的拐角和右侧人工条柱中间部分有裂纹产生，故需对这些部位加以重点关 注。在实际的工程中，构筑的人工结构均未发生影响安全生产的破坏，这与数值模拟的结果 一致。首先对人工顶板的情况进行考察。图 6 分别

23、是人工顶板（测点 1、2、3）应力和位移的 变化曲线。由图 6（1）可知，在最大主应力方面，3 个测点具有相同的变化趋势，其总体局势均为 先增大后减小。但是，3 条曲线表现出明显的滞后效应，即后一测点的变化趋势总是落后前 一测点一个开采步距，这种情况是由从左到右的开挖顺序决定的。3 个测点中，测点 1、3 的值要明显比测点 2 大，其中测点 3 的最大值达到了 17.1MPa，但仍小于人工顶板的强度。8测点1测点216 测点368测点1测点2测点36测点1 测点2 测点3最小主应力/MPa12 4位移/cm42最大主应力/MPa82040 1 2 3 4 56开挖步-20 1 2 3 4 56

24、开挖步00 1 2 3 4 56开挖步175（1）最大主应力； （2）最小主应力；（3）位移图 6 人工顶板应力与位移变化曲线Fig.6 Stress and displacement variation curves of artificial roof180图 6（2）为人工顶板最小主应力的变化曲线。从图中可知，3 个测点最小主应力均表现为逐渐减小的趋势，说明在开挖过程中，人工顶板要受到拉伸作用。但是在人工顶板两边（测 点 1 和 3）最小主应力变化较为平缓，而在中间（测点 2）变化要剧烈地多。同时，在人工 顶板中部，已有拉应力出现，表明此处是人工顶板最有可能发生拉破坏的区域，这与式（6）

25、精品论文185理论计算的结果一致。图 6（3）为人工顶板垂直方向位移的变化曲线。由图中可知，3 个测点的位移均随开挖 步的推进而不断增大，这与实际的情况相符。测点 2 的位移要明显大于测点 1 和 3，说明人 工顶板中间的位移沉降更为明显，其最大的位移值达到了 6.6cm。结合图 6（2）的最小主应 力的结果，说明人工顶板中部受拉明显，需要加以重点关注。48 测点4测点5测点636测点4 测点5 测点62最大主应力/MPa4最小主应力/MPa1200 1 2 3 4 5 6开挖步0 1 2 3 4 5 6开挖步190195（1）最大主应力；（2）最小主应力图 7 左侧人工条柱应力变化曲线Fig

26、.7 Stress variation curves of left artificial strip pillars左侧人工条柱的应力变化如图 7 所示。由图 7（1）可知，测点 4、5、6 的最大主应力 均呈逐渐减小的趋势，且在第 1 步和第 2 步开挖时变化显著，在其后的第 3、4、5、6 步开 挖时，3 个测点的最大主应力变化非常平缓。这种变化趋势对保持人工条柱的稳定性具有积 极的作用，同时也说明左侧人工条柱发生破坏的可能阶段应为开挖的第 1、2 步。图 7（2）为左侧人工条柱最小主应力的变化趋势图。从图中可知，同样是在开挖的第 1、2 阶段，最小主应力减小明显。值得注意的是，3 个测

27、点的最小主应力在第 2 开挖步以后均 小于 0，条柱内部整体有拉应力出现，但拉应力数值不大。其原因在于，第 2 步时左边第 1 分条的开挖可视为对人工条柱的水平卸荷，在水平应力的影响下，根据岩体卸荷理论17， 这种卸荷作用就以拉应力的形式表出来。10 4测点78 测点8测点9最小主应力/MPa2最大主应力/MPa6测点7 测点8 测点94 02-220000 1 2 3 4 5 6开挖步0123456开挖步（1）最大主应力（2）最小主应力图 8 右侧人工条柱应力变化曲线Fig.8 Stress variation curves of right artificial strip pillars

28、205右侧人工条柱的应力变化如图 8 所示。由图 8（1）可知，测点 7、8、9 的最大主应力均呈逐渐减小的趋势，且在第 1 步和第 2 步开挖时变化显著，在其后的第 3、4、5、6 步开 挖时，3 个测点的最大主应力变化较为平缓。其总体趋势与左侧人工条柱类似。但是，右侧 人工条柱 3 个测点的数值相差比左侧要大，且数值均较左侧人工条柱同水平的测点要大，说精品论文210215220225230235240245250255明右侧人工矿柱发生破坏的可能性要大。由图 8（2）可知，右侧人工矿柱的最小主应力也表现为逐渐减小的趋势。值得关注的 是，虽然在该条柱的底部（测点 9），最小主应力保持在 0

29、左右，但在中上部（测点 7、8）， 在第 2 步开挖时就已有较大的拉应力出现，有出现破坏的可能。在测点 7，拉应力值一直保 持在 1MPa 以上，最大甚至达到 1.9MPa，尤其需要密切关注。4结论(1) 基于“采矿环境再造”思想提出的采矿环境再造深孔诱导崩落采矿法，通过构建人 工结构的方式人为自主地创造出有利于采矿的环境，可实现对高价值破碎矿体和残矿资源的 安全高效回收。(2) 理论计算的结果表明，人工顶板所受最大拉应力处为其下表面的中部，所受最大剪 应力处则位于人工顶板和人工条柱相连接的拐角处；人工条柱的内部垂直应力受垂直压力和 侧压力的共同影响，而水平应力和剪应力则与顶部载荷无关。(3)

30、 数值模型试验的结果表明，开挖完成后，人工顶板整体处于受拉状态，且两侧应力 集中现象明显，人工顶板中部的最大沉降位移达到 6.6cm；在开挖的第 1、2 步，左、右侧 人工条柱的应力发生急剧变化，应加以关注；右侧条柱受力更为复杂，在其中部和上部有较 大的拉应力出现，导致其发生破坏的可能性比左侧人工条柱更大。(4) 理论计算和数值模型试验的结果均表明，采矿环境再造人工结构没有发生破坏，可 顺利实现采矿环境再造，为采矿生产提供一个安全的作业空间。参考文献 (References)1 古德生，李夕兵. 现代金属矿床开采科学技术M. 北京： 冶金工业出版社， 2006.Gu De-sheng, LI

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33、 Central South University,2009.5 李江腾. 硬岩矿柱失稳及时间相依性研究D.长沙：中南大学，2005.LI Jiang-teng. Study on Instability and Time Dependence of Pillar in Hard Rock MassD. Changsha: CentralSouth University, 2005.6 朱维申，李勇，张磊，等.高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究J. 岩石力学与工程学报，2008，27(7)：1308-1314.ZHU Wei-shen, LI Yong, ZHANG Lei, et

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