王天雄1,喻 勇2,郑光礼3,刘长磊3

(1. 陕西省冶金矿山公司,陕西 西安 710075;2. 西南交通大学应用力学与工程系,四川 成都 610031;3. 陕西省宁强锰矿,陕西 宁强 724409)

研究论文

陕西省宁强锰矿矿柱参数优化研究

王天雄1,喻 勇2,郑光礼3,刘长磊3

(1. 陕西省冶金矿山公司,陕西 西安 710075;2. 西南交通大学应用力学与工程系,四川 成都 610031;3. 陕西省宁强锰矿,陕西 宁强 724409)

采用三维有限元数值计算方法,以陕西省宁强锰矿矿柱参数为对象,研究处于地应力场中的标准矿房在保留8根矿柱和2根矿柱情况下的应力分布特点,并对两种留矿方式进行对比计算,所得结论为同类矿层开采方案提供了优化途径。

锰矿;矿柱参数;优化研究

陕西宁强锰矿为一地下矿山,采用浅孔留矿法开采。目前开采位置距地表垂直距离超过200m,地下岩体应力已达到相当的数值。在此情况下如何保留矿柱,做到既保障岩体的安全稳定性,又能最大限度地提高回采率,是一个值得研究的课题。

针对宁强锰矿实际情况,采用三维有限元数值计算方法,研究处于地应力场中的一个标准矿房在保留8根矿柱和2根矿柱情况下的应力分布特点,对两种留矿方式进行了对比,以求为矿山的生产决策提供科学依据。

1 计算条件及方案

根据宁强锰矿的相关技术资料[1],在计算中取标准矿房的尺寸如下:长度45m,高度45m。矿体厚度2m,倾角50(°)。间柱宽3m,斜高6m,间距3m。矿房下部设8个放矿漏斗。漏斗倾角为45(°),底部为宽1m、高3.5m、厚2m的放矿通道。在第1个方案中矿房内均匀布置8个矿柱,矿柱为三角锥形,底部正三角形边长3.5m,顶部正三角形边长0.5m。矿房顶板厚2m。平巷宽度2m,高度2m。在第2方案中矿房内布置2个矿柱,矿柱尺寸与第一方案相同。

以850m高程与815m高程之间的一个标准矿房作为研究对象,为方便施加约束,将矿房底部以下815～760m之间与矿房形状及大小相同部分岩体纳入计算区域。

2 计算软件介绍及计算模型

有限元分析采用美国ANSYS公司研制开发的大型通用有限元分析程序ANSYS。该程序是一个适用于微机平台的大型有限元分析系统,它功能强大,适用领域非常广泛。ANSYS是在20世纪70年代由ANSYS公司开发的工程分析分析软件。开发初期是为了应用于电力工业,现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域,能满足各有限元分析的需要。初期的ANSYS软件功能单一,使用不便,随着几十年的发展,现在ANSYS的最新版已经达到9.0,功能更加强大和完善,操作和使用也更加方便。图形用户界面给用户学习和使用ANSYS提供了更加直观的途径。命令流方式给高级用户提供了更加灵活和高效的分析手段。同时,ANSYS提供的强大和完整的联机说明和系统详尽的联机帮助系统,使用户能够不断深入学习并完成一些深入的课题。

ANSYS软件主要包括3个模块:预处理模块、分析计算模块和后处理模块。预处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料[2]。

建立有限元分析模型时采用10节点的四面体单元,模型中共有15347节点、10650单元。在模型中不区分矿石及围岩的力学特性差别,即认为他们具有相同的力学特性,取它们的弹性模量均为40 GPa,泊松比为0.2,密度为3.0t/m3。

3 地应力

4 计算结果分析

4.1 方案一

1)矿房上盘

方案一中矿房内均匀布置8个矿柱,排列成4行2列。模型的4个侧面作用水平地应力,侧压系数1.1,顶部作用垂直地应力。

计算结果中,以图像方式列出矿房上盘及下盘两个平面上的最大主应力(第1个主应力)、最小主应力(第3主应力)以及应力强度值。其中盈利强度定义为3个主应力两两之差的最大绝对值,即max (|σ1-σ2|,|σ2-σ3|,|σ1-σ3|)。某一点的应力强度可以大致反映出该点的安全程度:应力强度越高,该处越危险,反之越安全。

矿房上盘表面大部分区域的第1主应力以拉应力为主,约为6MPa,其中矿房顶部拉应力较小,底部拉应力较大,最大达18MPa。矿房上盘8根矿柱所在位置的第1主应力为压应力,中心处的压应力值达100MPa。

矿房表面大多数区域(包括两侧间柱)的第3主应力为0,而矿柱处的第3主应力为压应力,矿柱中心处的压力值及高,达800MPa。

在复杂应力条件下,岩体破坏与否由强度理论决定。多数强度理论与3个主应力之间的差值有直接的联系。例如,对于岩石材料而言,可用莫尔强度准则判定其是否破坏。而莫尔强度理论与应力分量第1主应力和第3主应力的代数差有关,因此用应力强度来反映岩体的危险程度是合理的。

采用SPSS 17.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

矿房上盘大部分区域的应力强度为10～20 MPa,最危险区域是8根矿柱所在部位,其原因是矿主在上盘的尺寸极小,只有0.5m,远远小于矿柱底部的尺寸。矿柱中心处的应力强度达到6858MPa,而间柱处的应力强度只有55MPa。矿房下部的应力强度为20～40MPa,小于间柱,大于顶部,既顶部的应力强度最小,平均为20MPa。

由以上分析可知,矿柱的上端是需要引起重视的部位。由于这部分的断面尺寸较小,应力集中情况较为严重,安全性能较低。

2)矿房下盘

矿层下盘的中间大部分区域的第1主应力以拉应力为主,数值为2.2～9.7MPa。矿房顶部附近的第1主应力最大,为17～32MPa。两侧间柱处的第1主应力较小,矿房底部漏斗附近的应力最小,并有压应力出现。

矿房下盘中间大部分区域的第3主应力为10.6MPa的压应力,两侧间柱处的第3主应力也为压应力,且比较高,达10.6～59.6MPa,矿房下部漏斗附近的第3主应力极值为69.4MPa的压应力。

下盘的应力强度分别情况:两侧间柱、顶部和底部的应力强度较大,其中顶部33～53MPa,两侧间柱19.5～53MPa,底部33～53MPa,而矿房内部的应力强度只有6～14MPa,矿柱应力强度约12.8 MPa。

4.2 方案二

在方案二中,与方案一不同之处在于矿房内没有8根矿柱,而只有2根。

1)矿房下盘

矿房内部大部分区域的第1主应力接近于0,而两侧矿柱的第1主应力较大,达20MPa(拉应力)。矿房顶部的第1主应力以压应力为主,达到7MPa。底部的第1主应力为大约4MPa的拉应力。

下盘的第3主应力全部为压应力,在矿房内部区域,第3主应力为8.2MPa;两侧矿柱的应力为22～150MPa;顶部应力为22～63MPa;底部应力8.2～50MPa。

矿房内部大部分区域的应力强度为10.4MPa,两根矿柱处的应力强度为26.7MPa。两侧间柱的应力强度为10.4～92.0MPa,底部10.4～59.4 MPa,顶部26.7～59.4MPa。

同方案一相比,由于矿柱数量的减少,方案二中矿房的应力强度明显增加。其中,间柱最大应力强度从53MPa上升到92MPa,增加了39MPa,接近80%。矿柱处的应力强度由12.8MPa上升到了26.7MPa,增加率超过100%。

2)矿房上盘

矿房内部绝大多数区域的第1主应力为0～7 MPa拉应力,两侧间柱及矿房顶部、底部的第1主应力为7～15MPa的拉应力。两矿柱内部的第1主应力为110～159MPa的压应力。

矿房内各部位的第3主应力均为压应力。矿柱处存在较大的应力集中,应力值范围为62.8～929 MPa,其余各处的应力为62.8MPa。

矿房内多数区域的应力强度为20MPa。间柱处的应力强度为20～100MPa。上部矿柱处的应力强度为100～830MPa,下部矿柱100～800MPa。矿房顶底部的应力强度为20MPa。同方案一相比,矿柱处的应力强度由685MPa上升到800MPa,增加了145MPa。间柱应力强度由55MPa上升到100MPa,增加了45MPa。矿房下部的应力有所减小,由原来的40MPa减少到20MPa。顶部及其他部位没有变化。

比较得知,减少矿柱数量会使矿柱上端的安全稳定性显著降低,其中矿柱上盘段的应力强度高出其它部位一个数量级,是最容易发生破坏的区域,需要特别引起重视。

[1] 叶先磊.史来杰ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 刘允芳.岩体地应力与工程建设[M].武汉:湖北科学技术出版社,2000.

The Optinize Study of the Parameter of Ore Pillar of Shanxi Ningqiang Manganese Mine

WANG Tian-xiong1,YU Yong2,ZHENG Guang-li3,LIU Chang-lei3
(1. Shanxi Metallurgy and Mining Co.,Xi’an,Shanxi 710075,China;
2.Applied Mechanics and Engineering of Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;
3.Shanxi Ningqiang Manganese Mine,Ningqiang,Shanxi 724409,China)

This study takes the parameter of ore pillar as the object,giving the optimize ways of mining in similar vein.

Manganese mine;Parameter of ore Pillar;Optimize study

TD853.32+2

A

1002-4336(2010)02-0012-03

2010-04-18

王天雄(1968-),男,陕西渭南人,采矿高级工程师,硕士,经理,党委书记,研究方向:矿山及环保,手机: 13359268888,传真:029—87421601,E-mail:sxsyjksgs@163.com,通讯地址:陕西省西安市高新区科技路50号金桥国际广场B座6层.