铝土矿软弱顶板变形规律的数值模拟研究

2018-09-11雍伟勋

中国锰业 2018年4期

雍伟勋，王凯

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650093)

0 前言

铝土矿资源是我国重要的矿产资源，近年来，随着我国露天可开釆铝土矿资源的逐渐减少，铝土矿地下开釆已成为必然趋势。然而，埋藏较深的铝土矿资源中，矿床大部分为缓倾斜沉积矿床。矿体直接顶板通常为粘土页岩、炭质页岩及砂质粘土岩等岩石，这类矿床顶板自身稳固性较差，铝土矿的顶板具有明显的分层现象[1-5]。多数情况下以矿体直接顶板粘土岩或者铝土岩和间接顶板白云岩的分层出现，在个别采场会有粘土岩和铝土岩交互出现的三分层和四分层现象。顶板问题一直是影响铝土矿矿体开采的重要因素之一，严重制约了矿山的生产能力，导致矿山的生产、经济和社会效益较差。

某矿山采场矿体、直接顶板和间接顶板进行详细的现场调查和基础地质资料的分析和研究发现，采场矿体、直接顶板和间接顶板的各分层之间基本都没有充填物质，各分层之间基本都是直接接触。根据采场顶板这一特征现象,应用FLAC3D数值模拟软件对铝土矿进行模拟研究，进行铝土矿采场顶板的力学建模和计算分析[6-10]。

1 数值模型的建立

为了消除模型的边界效应，左右边界向两边延伸30 m，最终建立的计算模型示意图如图1所示。

图1 矿体走向方向布置模型

图1中，h1为采场护顶矿壁的厚度，h2为采场直接顶板粘土岩和铝土岩的厚度，h3为采场间接顶板白云岩的厚度，L为采场相邻矿石点柱中心之间的跨度。

模型的计算边界条件为：用FLAC3D里的FIX命令将模型X和Y方向法向位移约束，模型底部为固定边界，顶部为自由边界，如图2。

图2 边界条件示意

2 参数选取与计算方案

采用莫尔—库伦(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型。计算模型除地表面设为自由边界外，模型底部约束垂直位移，其它边界均约束水平位移。岩体力学参数见表1。

根据现场的工程地质资料情况，为了更好的分析铝土矿直接顶板粘土岩，护顶矿壁铝土矿的厚度以及矿石点柱跨度对铝土矿顶板变形破坏的影响，现设计如下3种模拟方案，如表2所示。

表1 折减后的岩石物理力学参数

表2 模拟计算方案设计

3 模拟结果分析

3.1 方案1

矿体顶板厚度h1=h2=1.0 m时点柱不同跨度的模拟结果见图3～5。通过图3～5，对致密状铝土矿护顶矿壁、直接顶板粘土岩及间接顶板白云岩在其各自自重下时不同跨度的最大位移值计算结果可知，致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移值>直接顶板粘土岩的最大位移值>间接顶板白云岩的最大位移值；其中致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移值是间接顶板铝土岩的最大位移值约是致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移值的1.54倍，直接顶板铝土岩的最大位移值约是间接顶板白云岩的最大挠度值的1.33倍，即致密状铝土矿护顶矿壁:直接顶板粘土岩:间接顶板白云岩≈1.54∶1.33∶1。

3.2 方案2

矿体顶板厚度h1=h2=0.8 m时点柱不同跨度的模拟结果见图6～8。

通过图6～8，对致密状铝土矿护顶矿壁、直接顶板粘土岩及间接顶板白云岩在其各自自重下时不同跨度的最大位移值计算结果可知，致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移值>直接顶板粘土岩的最大位移值>间接顶板白云岩的最大位移值；其中致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移是间接顶板铝土岩的1.61倍，直接顶板铝土岩的最大位移值约是间接顶板白云岩的最大挠度值的1.31倍，即致密状铝土矿护顶矿壁:直接顶板粘土岩:间接顶板白云岩≈1.61∶1.31∶1。

3.3 方案3

体顶板厚度h1=h2=0.8 m时点柱不同跨度的模拟结果见图9～11。

通过图9～11，对致密状铝土矿护顶矿壁、直接顶板粘土岩及间接顶板白云岩在其各自自重下时不同跨度的最大位移值计算结果可知，致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移值>直接顶板粘土岩的最大位移值>间接顶板白云岩的最大位移值；其中致密状铝土矿护顶矿壁的最大位移是间接顶板白云岩的1.61倍，直接顶板铝土岩的最大位移值约是间接顶板白云岩的最大挠度值的1.31倍，即致密状铝土矿护顶矿壁:直接顶板粘土岩:间接顶板白云岩≈1.62∶1.32∶1。