典型殘礦回采結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析范文
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《金屬礦山雜志》2014年第七期
1.1簡(jiǎn)支梁模型穩(wěn)定性分析(1)采場(chǎng)頂板厚梁的抗拉強(qiáng)度計(jì)算。殘礦回采過程中，為分析采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性，可將部分采場(chǎng)頂板近似視為簡(jiǎn)支梁來處理(圖4)。頂板厚梁的受力可分為上部壓應(yīng)力和下部拉應(yīng)力2部分。由于巖體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，通常頂板厚梁的變形破壞主要是由拉應(yīng)力引起的，因此，僅分析其下部承受的拉應(yīng)力即可。
1.2懸臂梁模型穩(wěn)定性分析(1)采場(chǎng)頂板厚梁的抗拉強(qiáng)度計(jì)算。殘礦回采過程中，為分析采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性，可將部分采場(chǎng)頂板近似視為懸臂梁來處理(如圖5)。
1.3結(jié)構(gòu)模型梁理論穩(wěn)定性分析(1)模型Ⅰ適用簡(jiǎn)支梁理論分析。已知，厚梁的跨度L=25m，厚梁的寬度b=10m，厚梁的厚度h=20m。該區(qū)域的巖體主要是角礫巖，極限抗拉強(qiáng)度為6.5MPa，彈性模量E=28GPa;綜合頂板厚梁抗拉強(qiáng)度和最大撓度的計(jì)算結(jié)果，可以判定結(jié)構(gòu)模型Ⅰ采場(chǎng)頂板是穩(wěn)定的。(2)模型Ⅱ適用懸臂梁理論分析。已知，厚梁的跨度L=20m，厚梁的寬度b=25m，厚梁的厚度h=50m;該區(qū)域的巖體同樣主要是角礫巖，安全系數(shù)n取2，經(jīng)巖體體積節(jié)理數(shù)Jv統(tǒng)計(jì)后，巖體完整性指數(shù)KV取0.35，γ=27.2×103kN/m3。計(jì)算可得，σmax=0.653MPa＜σX=1.138MPa，滿足強(qiáng)度要求;Wmax=4.66mm，參考表2可判定其基本不影響頂板穩(wěn)定性。可以判定結(jié)構(gòu)模型Ⅱ區(qū)域巖體目前仍是穩(wěn)定的，但鑒于其四面臨空的狀態(tài)，不排除受到較大擾動(dòng)而失穩(wěn)的可能。(3)模型Ⅲ適用簡(jiǎn)支梁理論分析。已知，厚梁的跨度L=90m，厚梁的寬度b=13m，厚梁的厚度h=70m。該區(qū)域的巖體主要也是角礫巖，安全系數(shù)n取2，經(jīng)巖體體積節(jié)理數(shù)Jv統(tǒng)計(jì)后，巖體完整性指數(shù)KV取0.35，γ=27.2×103kN/m3。計(jì)算可得，σmax=2.36MPa＞σX=1.138MPa，不能滿足強(qiáng)度要求;Wmax=142.3mm，參考表2可判定其可能產(chǎn)生大規(guī)模破壞。綜合頂板厚梁抗拉強(qiáng)度和最大撓度的計(jì)算結(jié)果，可以判定結(jié)構(gòu)模型Ⅲ可能產(chǎn)生大規(guī)模破壞。
2結(jié)構(gòu)模型穩(wěn)定性數(shù)值分析
2.1模型構(gòu)建及邊界條件根據(jù)圣維南原理及殘礦賦存狀況，確定3個(gè)模型的邊界范圍，見表3。邊界條件設(shè)置:所有臨空面和上表面為自由面，其余面則固定。計(jì)算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。計(jì)算步驟:①選用摩爾－庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，生成巖體初始應(yīng)力場(chǎng);②分步開挖至殘礦圈定范圍;③記錄各模型的最大豎向位移、最大拉應(yīng)力和塑性區(qū)。
2.2分析結(jié)果運(yùn)用FLAC3D軟件構(gòu)建相應(yīng)網(wǎng)格模型，并進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果如下。(1)模型Ⅰ的σmax≈0.23MPa，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂、底板兩端(見圖6，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力，下同);最大豎向位移約為0.3mm(見圖7)，出現(xiàn)在采空區(qū)頂板臨近崩落區(qū)一側(cè)的中部;無(wú)塑性變形區(qū)，表明模型Ⅰ是穩(wěn)定的。(2)模型Ⅱ的σmax≈0.8MPa，出現(xiàn)在梁上表面固定端，自由端下部也出現(xiàn)拉應(yīng)力(見圖8);最大豎向位移約為1.6mm(見圖9)，出現(xiàn)在自由端下部邊緣;無(wú)塑性變形區(qū)，表明模型Ⅱ也是穩(wěn)定的。(3)模型Ⅲ開挖一層時(shí)σmax≈1.4MPa，大于折減后的巖體抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中部(見圖10);最大豎向位移約為1.1mm(見圖11)，出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中部;存在塑性變形區(qū)(見圖12，頂板淺色部分為塑性變形區(qū))，體積約為500m3，表明采場(chǎng)頂板存在冒頂塌落的危險(xiǎn)。
2.3綜合對(duì)比及評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分為3個(gè)等級(jí)，即:①穩(wěn)定;②較不穩(wěn)定;③不穩(wěn)定。分析結(jié)果的綜合對(duì)比及評(píng)價(jià)見表4。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，梁理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，僅在模型Ⅲ的最大位移量分析中有較大差別。模型Ⅲ數(shù)值模擬的最大位移量很小，原因是數(shù)值模擬僅發(fā)生小規(guī)模塑性變形而無(wú)大規(guī)模失穩(wěn)破壞，且塑形變形是個(gè)緩慢的過程，但仍然認(rèn)為模型Ⅲ是不穩(wěn)定的，實(shí)際情況亦然。
3結(jié)論
模型Ⅰ～Ⅲ是充分考慮殘礦回采的特殊性，選取具有典型代表性的殘采工程體構(gòu)建的，基本能客觀地反映殘礦回采作業(yè)緊鄰采空區(qū)、崩落區(qū)的實(shí)際情況，其分析結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。(1)模型Ⅰ的分析結(jié)果是穩(wěn)定的，從側(cè)面驗(yàn)證其相應(yīng)殘礦回采點(diǎn)的回采方案是可行的。(2)模型Ⅱ的分析結(jié)果也是穩(wěn)定的，表明該部分懸空巖體目前仍是穩(wěn)定的，但鑒于其四面臨空的狀態(tài)，不排除受到較大擾動(dòng)而失穩(wěn)的可能性，建議封閉通往該區(qū)域的所有巷道。(3)模型Ⅲ的分析結(jié)果是不穩(wěn)定的，表明其相應(yīng)的回采方案是不可行的，需作出調(diào)整。(4)通過梁理論與數(shù)值模擬相耦合、相驗(yàn)證的方法，對(duì)殘礦回采的采場(chǎng)頂板進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可取得良好效果。分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基本一致，表明梁理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合運(yùn)用于殘礦回采過程中采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性分析具有較高的可靠性。
作者：姜立春趙東利單位：華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院華南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程研究所
