论文部分内容阅读
摘 要：依據用沙坝矿采矿方法开采规律与设计要求，采矿过程中要预留一定数量的规则原岩矿柱。而不同的矿柱布置方式各有不同的特点，在此，采用有限元数值模拟进行分析，获得了合理的矿柱布置方式，为矿体的开采提供了安全保障。
关键词：开采方法 矿柱 布置方式 有限元分析
The numerical simulation and selection of arrangement for pillar in YONGSHA BA
XIAO Tianzuo1， LI Kai1 ， XU Mingsheng1 ， WANG Yongqi1 ， DAI Bing2
（1.Mine Company of Guizhou Kailin Group；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）
Abstract：According to mining laws and the design requirements on mining method in YONGSHA BA， the certain amount of rules of original rock pillar were reserved. While different pillar arrangement with different characteristics， using the finite element numerical analysis， obtained the rational pillar arrangement， it provide assurance for mining.
Key words： mining method， pillar， arrangement， the finite element numerical analysis
引言
充填采矿法是目前唯一能有效地用于“三下”矿体开采的地下开采方法[1-3]，由于用沙坝矿段有近50%的资源位于山体下，故公路下2200多万t保安矿柱是本次充填采矿法的研究目标。
通过对充填采矿法保护山体与护顶力学机理分析，参照国内外充填采矿法对“三下”矿体开采的实用实例[4-5]，为安全起见，为防止地表变形与位移，我们认为除了采用强度不低于1MPa的胶结充填体立即对采空区进行充填外，安全而可靠的办法仍然是在采矿方法设计中，在矿块划分与采矿过程中预留一定数量的规则原岩矿柱。
采场中留有规则的条带状矿柱，其宽度大小是影响矿体受力的关键。条带状矿柱的宽度大，则留采比增大，虽然保护公路与山体的安全性增加，但资源浪费增大；条带状矿柱减少，留采比小，资源
损失减少了，但保护地表公路与山体的安全性也相应减少了。为此，我们用有限元进行分析，力求获得合理的矿柱布置方式。
一、 数值模型的建立
在各种各样的数值模拟分析中，建立正确的计算模型是模拟分析成败和结果正确与否的关键。为了深入分析矿体开采过程中矿柱及围岩应力动态分布状况，模型严格按照开磷集团相关图纸建立。整体模型如图1所示，图中不同的颜色表示不同的岩石种类。正如前面假设所述，模型中忽略了矿体和围岩界面的不规则性，而从宏观上假定矿体和围岩界面为平整面。
二、 岩石力学数据和有限元参数的选取
现场对开阳磷矿用沙坝矿段岩石进行了取样，分别将顶板、矿体、底板岩石进行加工取样分析测试，并在中南大学力学测试中心进行了强度试验，获得了准确可靠的岩石力学性能及参数.
考虑到岩石力学实验中所用的试件与工程中岩体的差别，对实验数据需要进行折减。根据大宝山矿岩样岩石力学参数试验数据，采用折减系数法对实验数据进行合理取值。折减系数如下：
弹性模量：
泊松比：
内摩擦角：
粘结力：
根据大量的数值模拟实践证明，ANSYS系统材料库中的Drucker—Prage材料用于模拟岩土类材料十分合适。该材料符合Drucker—Prager屈服准则，对Mohr—Coulomb准则予以近似，在Von Mises屈服准则的表达式中加入附加修正项。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，但其中屈服强度随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。这种材料还考虑了材料由于屈服而引起的体积膨胀，广泛适用于混凝土、岩石和土壤等材料的模拟计算[6-8]。
三、计算分析
1 留竖直条柱分段开采
首先对矿体进行有间柱分段开采数值模拟，同时记录矿体采出后围岩应力场动态变化情况。
对岩体类脆性地质材料，材料抗拉、抗剪强度只有抗压强度的几分之一，导致材料破坏的应力往往不是压应力，而是拉剪应力，因此研究岩体拉剪应力变化情况更具实际意义。基于此，图2给出了矿体回采后剪应力动态变化图。
2 留水平条柱分段开采
为了对比水平间柱开采方案与竖直间柱开采的优劣，报告建立了水平间柱开采模型。
3 结果比较
依据有限元分析结果，得到水平布置与垂直布置的条带状矿柱胶结充填法开采时的顶板最大压应力、最大剪应力、最大拉应力、最大水平位移、最大竖向位移.
四、结论
从上面模拟分析可以看出，方案一即留垂直条带状矿柱的胶结充填采矿法开采更有利于保证山体稳定与矿体开采安全。对开阳磷矿来说，留竖直订带状矿柱分段回采比留水平间柱将更有利于保证矿体上部公路的稳定。
参考文献
[1] 敬文宇，张根深."三下"矿体充填采矿法回采实践与研究[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 125-127.
[2] 姚香，刘成平.中国岩金充填采矿技术现状与发展方向[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 22-26.
[3] 刘志君，龚浩源.上向水平分层充填采矿法的改进[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 130-133.
[4] 何浪英，陆文.某矿下向充填采矿法采场地压数值模拟研究[J].现代矿业，2012，（2）：10-13.
[5] 王正辉，高谦.胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究[J].金属矿山，2003，（10）：18-20.
[6] 韩春秀，董羽蕙.ANSYS对岩土材料进行三维模拟的技巧探讨[J].岩土工程界，2006，9（9）：40-43.
[7] 邓爽.长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析[D].武汉理工大学，2006.
[8] 张旭辉，张杲峰.道路路基FEM弹性解的塑性判别及ANSYS软件实现[J].路基工程，2002，（4）：5-6，74.
关键词：开采方法 矿柱 布置方式 有限元分析
The numerical simulation and selection of arrangement for pillar in YONGSHA BA
XIAO Tianzuo1， LI Kai1 ， XU Mingsheng1 ， WANG Yongqi1 ， DAI Bing2
（1.Mine Company of Guizhou Kailin Group；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）
Abstract：According to mining laws and the design requirements on mining method in YONGSHA BA， the certain amount of rules of original rock pillar were reserved. While different pillar arrangement with different characteristics， using the finite element numerical analysis， obtained the rational pillar arrangement， it provide assurance for mining.
Key words： mining method， pillar， arrangement， the finite element numerical analysis
引言
充填采矿法是目前唯一能有效地用于“三下”矿体开采的地下开采方法[1-3]，由于用沙坝矿段有近50%的资源位于山体下，故公路下2200多万t保安矿柱是本次充填采矿法的研究目标。
通过对充填采矿法保护山体与护顶力学机理分析，参照国内外充填采矿法对“三下”矿体开采的实用实例[4-5]，为安全起见，为防止地表变形与位移，我们认为除了采用强度不低于1MPa的胶结充填体立即对采空区进行充填外，安全而可靠的办法仍然是在采矿方法设计中，在矿块划分与采矿过程中预留一定数量的规则原岩矿柱。
采场中留有规则的条带状矿柱，其宽度大小是影响矿体受力的关键。条带状矿柱的宽度大，则留采比增大，虽然保护公路与山体的安全性增加，但资源浪费增大；条带状矿柱减少，留采比小，资源
损失减少了，但保护地表公路与山体的安全性也相应减少了。为此，我们用有限元进行分析，力求获得合理的矿柱布置方式。
一、 数值模型的建立
在各种各样的数值模拟分析中，建立正确的计算模型是模拟分析成败和结果正确与否的关键。为了深入分析矿体开采过程中矿柱及围岩应力动态分布状况，模型严格按照开磷集团相关图纸建立。整体模型如图1所示，图中不同的颜色表示不同的岩石种类。正如前面假设所述，模型中忽略了矿体和围岩界面的不规则性，而从宏观上假定矿体和围岩界面为平整面。
二、 岩石力学数据和有限元参数的选取
现场对开阳磷矿用沙坝矿段岩石进行了取样，分别将顶板、矿体、底板岩石进行加工取样分析测试，并在中南大学力学测试中心进行了强度试验，获得了准确可靠的岩石力学性能及参数.
考虑到岩石力学实验中所用的试件与工程中岩体的差别，对实验数据需要进行折减。根据大宝山矿岩样岩石力学参数试验数据，采用折减系数法对实验数据进行合理取值。折减系数如下：
弹性模量：
泊松比：
内摩擦角：
粘结力：
根据大量的数值模拟实践证明，ANSYS系统材料库中的Drucker—Prage材料用于模拟岩土类材料十分合适。该材料符合Drucker—Prager屈服准则，对Mohr—Coulomb准则予以近似，在Von Mises屈服准则的表达式中加入附加修正项。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，但其中屈服强度随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。这种材料还考虑了材料由于屈服而引起的体积膨胀，广泛适用于混凝土、岩石和土壤等材料的模拟计算[6-8]。
三、计算分析
1 留竖直条柱分段开采
首先对矿体进行有间柱分段开采数值模拟，同时记录矿体采出后围岩应力场动态变化情况。
对岩体类脆性地质材料，材料抗拉、抗剪强度只有抗压强度的几分之一，导致材料破坏的应力往往不是压应力，而是拉剪应力，因此研究岩体拉剪应力变化情况更具实际意义。基于此，图2给出了矿体回采后剪应力动态变化图。
2 留水平条柱分段开采
为了对比水平间柱开采方案与竖直间柱开采的优劣，报告建立了水平间柱开采模型。
3 结果比较
依据有限元分析结果，得到水平布置与垂直布置的条带状矿柱胶结充填法开采时的顶板最大压应力、最大剪应力、最大拉应力、最大水平位移、最大竖向位移.
四、结论
从上面模拟分析可以看出，方案一即留垂直条带状矿柱的胶结充填采矿法开采更有利于保证山体稳定与矿体开采安全。对开阳磷矿来说，留竖直订带状矿柱分段回采比留水平间柱将更有利于保证矿体上部公路的稳定。
参考文献
[1] 敬文宇，张根深."三下"矿体充填采矿法回采实践与研究[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 125-127.
[2] 姚香，刘成平.中国岩金充填采矿技术现状与发展方向[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 22-26.
[3] 刘志君，龚浩源.上向水平分层充填采矿法的改进[J].矿业研究与开发， 2004， 24（z1）： 130-133.
[4] 何浪英，陆文.某矿下向充填采矿法采场地压数值模拟研究[J].现代矿业，2012，（2）：10-13.
[5] 王正辉，高谦.胶结充填采矿法充填作用机理与稳定性研究[J].金属矿山，2003，（10）：18-20.
[6] 韩春秀，董羽蕙.ANSYS对岩土材料进行三维模拟的技巧探讨[J].岩土工程界，2006，9（9）：40-43.
[7] 邓爽.长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析[D].武汉理工大学，2006.
[8] 张旭辉，张杲峰.道路路基FEM弹性解的塑性判别及ANSYS软件实现[J].路基工程，2002，（4）：5-6，74.