分段崩落采矿法的稳定性分析

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[摘要]分段崩落法是目前许多金属矿采用的采矿方法，为了提高采矿的安全性和科学性，本文从分段崩落法、稳定性分析方法--有限元方法、采场稳定性数值模拟与材料参数，以及参数分析结果这四个方面对分段崩落采矿法的稳定性进行分析、阐述。

[关键词]分段 崩落 采矿法 稳定性分析

[中图分类号] O741+.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-2-16-2

1前言

矿业作为工业发展的支撑行业，矿业的健康发展关系着社会的根本利益，因此，我们需要对矿业生产过程中的采矿法进行分析，尤其是经常被采用的分段崩落采矿法，下面将对分段崩落采矿的稳定性进行分析，以求对采矿提供更好的采矿方式。

2分段崩落法

分段崩落采矿法通常分为两类，一是以瑞典为代表的无底柱分段崩落法（端部放矿），一是以苏联为代表的有底柱分段崩落法（底部放矿）。近些年来，这两种方法都有长足进展：（1）随着高效率高精度深孔凿岩设备的问世，无底柱分段崩落法的分段高度已增至2 0m，炮孔直径加大到75～105mm，采准工程明显减少，采矿效率进一步提高；（2）为了简化底部结构，苏联创造了在同一水平进行凿岩，拉底和出矿的有底柱分段崩落法，缩短了回采周期和底柱高度，提高了机械化程度和矿石回收率，劳动条件大为改善；（3）为了降低贫化率，瑞典把这两种方法结合起来，成功地试验了分段留矿崩落法；（4）为了减少采切工程量、降低矿石贫化损失和改善工作面通风条件，苏联创造了无底柱高低分段崩落采矿法；（5）在地压大、埋藏条件复杂的矿床，成功地采用了枝状进路逐段回采的无底柱分段崩落法。

3稳定性分析方法――有限元方法

数值方法，例如有限元方法，已经证明对岩石力学问题的求解非常有效，为许多研究工作者用来分析和解决矿山设计问题。 它的最大优越性在于： 经济、迅速、可以模拟各种不同的岩石材料性质和结构性质。 而且，在有限元模型中，可以改变许多可控制因素―采场几何参数，回采顺序和方向等，经过大量的计算机运算分析，就可以得到最佳的设计参数。

一般来说，静态线弹性有限元分析只限于用在很简单的采矿结构问题，如果岩石材料的极限强度已经超过，则纯弹性分析不能描述岩石屈服或产生塑性位移后的情况。 但在某些采矿工程结构中，岩石的完全屈服的条件可能永远也不会出现。此时，我们只需要知道在模型中某些危险地点的应力和位移的分布和大小，用纯弹性的有限元分析就可满足这一要求。而分段崩落法的稳定性问题，就必须用非线性的有限元模型，因为崩落的矿石和废石的应力一应变关系是非线性的，它的应变不能全部恢复。 由于这个原因以及要预测分段崩落法的屈服破坏带的变化情况，故本研究不仅用了线弹性有限元模型，还应用了弹塑性有限元分析。

模型I（图1）共有786个节点，11个析架单元和738 个两维平面应变单元，共有三个分段水平，每个分段水平上有两条或三条回采进路巷道。分段高度是10 m，回采进路的断面尺寸是5.5 m×3.4 m，进路之间的矿柱厚度也是5.5 m ， 有限元模型I 是模拟典型的筒仓式的分段崩落法。

非线性的弹塑性有限元模型Ⅱ（图2） 比模型I 要小得多，只有364 个节点，14 个析架单元和326 个两维平面应变单元. 回采进路的宽度为4.8m，略小于模型I 的进路尺寸，矿柱宽度增加至7.3 m，其余参数均与模型I 相同。

模型Ⅱ是典型的扇形炮孔排列的分段崩落法。

表1 列出了输入这两个模型的岩石性质常数。为了模拟崩落矿石和覆盖废石的承载能力，将它们的原岩的杨氏弹性模量分别降低。外部加载条件： 表面施加有重力载荷和水平方向的载荷，分别作用于模型顶部表面和一侧. 所有体力和表面载荷都被换算为作用于节点上的力。

4采场稳定性数值模拟与材料参数

巷道围岩稳定性是无底柱分段崩落法安全生产的重要条件。不同的结构参数，使巷道群的分布和进路尺寸不同，相应地采场稳定性也不相同。对传统的小结构参数（H=10m，B=10m），与大结构参数（H=15 m，B=15 m；H=15 m，B=20 m）的进路开挖与回采过程中应力和位移变化情况进行了三维数值模拟分析。

4.1三维数值模型

国内某铁矿一期采矿工程在-198 m以上，矿山生产初期采用的采场结构参数为10 m×l0 m，二期采矿工程位于-198～-330 m，采用的采场结构参数为15 m×l5 m，在-258 m以下全面采用15 m×20 m。

以该矿山-258 m以下的-个采场作研究对象，利用大型有限元分析软件分析结构参数对采场稳定性的影响规律。数值模型的构建过程如下：

（1）根据弹塑性力学理论，为了计算需要和较高的计算精度，计算采用的模型范围-般为采动区域范围的3～5倍。

（2）无底柱分段崩落法是在覆岩下进行放矿，覆盖层的厚度应大于分段高度，一般为15～20 m，因此，覆盖层的厚度取18 m。

（3）为了分析结构参数对采场稳定性的影响，建立了10 m×l0 m、15 m×l5 m、15 m×20 m共3种不同结构参数的采场模型。进路断面主要根据采掘设备来决定，从放矿规律和降低矿石损失贫化指标的角度考虑，宽而低的矩形巷道较为有利。进路断面的选择应同时考虑采场的稳固性，进路越宽或者进路越高，均不利于采场稳定。考虑到这些凶素的影响，该矿山的进路尺寸设计为b=3.6 m，h=3.2 m。

矿体的体积为62 m×40 m×30 m，矿体以上有18 m厚的覆盖层，四周扩展部分为围岩，据此建立了186 m×120 m×l44 m的三维数值模型，见图3。

（4）在采动区域及其附近网格划分较为精细，而以外的区域则采用较为稀疏的网格，这样可以减少节点数和单元数，同时使计算结果更为精确。

（5）由于采动影响的范围是有限的，在离围岩较远处的位移值将很小，当计算模型足够大时可将模型边界处位移视为0。因此，在模型边界处采取位移约束，即模型的底面全约束，模型的4个侧面限制垂直于该平面的水平方向移动。

4.2矿岩物理力学参数的确定

根据地质条件和矿山实际情况，将矿岩简化为3种基本模型：岩石、矿体和散体介质。围岩的力学参数的选取依据岩块力学性质测试结果，并考虑了岩体的结构效应、地下水等因素，对岩块力学按照Bieniawski的岩体质量分类法进行适当的修正。

崩落的散体，依据膨胀系数采取适当的折减，主要的物理力学参数为岩体的重度γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c和内摩擦角φ。

5参数分析结果

分析结果清楚表明： 线性数值模型只能显示应力和位移的大小和方向，不能精确地指出局部破坏带的位置。非线性模型可以解决这个问题，它可以给出岩石材料在达到屈服极限以后的应力和位移的变化情况。屈服带的位置和大小、安全系数值，都可以从非线性模型中求得；同时，还可以观察在不同的原始应力场条件下，屈服带和破坏带的逐渐发展情况。

（1）危险应力区是在靠近应力释放区一崩落矿石区或崩落废石区一这个分段的回采进路顶底板。

（2）随着回采作业逐个分段地向下进行，下部已做好采准的分段将会进入临界应力状态，也就是在尚未开始回采以前，巷道就有可能产生屈服破坏。因此，在任何一个分段崩落法作业矿山里，建议已做好采准工作的分段水平数目（包括正在回采的分段在内） 不要超过三个以上。

（3）在回采进路顶板以上的待崩落的矿石柱中，顶部以及中部两侧将受到很大的拉应力和剪应力炮孔组的边孔末端和中央炮孔末端有可能因剪切而发生错孔，使装药发生困难，导致不佳的爆破块度。因此，矿石柱体的宽度不能过小，以致过分削弱其强度。

（4）在浅部重力应力场下，分段崩落法回采巷道的破坏要比深部应力场，特别是构、造应力场时严重，这与一般估计相反主要是由于在深部的水平方向应力增加将会消除在巷道顶板上出现拉应力。但是，由于在深部开采时的岩体自重应力将随深度增加，因而，压应力引起的巷道四角的破坏将可能变成主要破坏形式。

由此推测，当分段崩落法使用在深部时，回采进路的宽度应比浅部时缩小，并在巷道顶板四角加强支护；在进路巷道边界周围岩石实行预先屈服（将会有助于改善回采进路的稳定性。根据本研究，可以相信分段崩落法是可以用于深部开采。

6结语

矿业是不可再生能源，在采矿过程中为了保持矿业的健康、持久的发展，我们需要对采矿方法进行分析、探讨，进而提高采矿技术，减少矿产的丢失和不必要的损失，从而降低生产成本，提高企业的经济效益。