典型残矿回采结构稳定性分析范文

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《金属矿山杂志》2014年第七期

1结构模型梁理论稳定性分析

1.1简支梁模型稳定性分析(1)采场顶板厚梁的抗拉强度计算。残矿回采过程中，为分析采场顶板稳定性，可将部分采场顶板近似视为简支梁来处理(图4)。顶板厚梁的受力可分为上部压应力和下部拉应力2部分。由于岩体的抗压强度远大于抗拉强度，通常顶板厚梁的变形破坏主要是由拉应力引起的，因此，仅分析其下部承受的拉应力即可。

1.2悬臂梁模型稳定性分析(1)采场顶板厚梁的抗拉强度计算。残矿回采过程中，为分析采场顶板稳定性，可将部分采场顶板近似视为悬臂梁来处理(如图5)。

1.3结构模型梁理论稳定性分析(1)模型Ⅰ适用简支梁理论分析。已知，厚梁的跨度L=25m，厚梁的宽度b=10m，厚梁的厚度h=20m。该区域的岩体主要是角砾岩，极限抗拉强度为6.5MPa，弹性模量E=28GPa;综合顶板厚梁抗拉强度和最大挠度的计算结果，可以判定结构模型Ⅰ采场顶板是稳定的。(2)模型Ⅱ适用悬臂梁理论分析。已知，厚梁的跨度L=20m，厚梁的宽度b=25m，厚梁的厚度h=50m;该区域的岩体同样主要是角砾岩，安全系数n取2，经岩体体积节理数Jv统计后，岩体完整性指数KV取0.35，γ=27.2×103kN/m3。计算可得，σmax=0.653MPa＜σX=1.138MPa，满足强度要求;Wmax=4.66mm，参考表2可判定其基本不影响顶板稳定性。可以判定结构模型Ⅱ区域岩体目前仍是稳定的，但鉴于其四面临空的状态，不排除受到较大扰动而失稳的可能。(3)模型Ⅲ适用简支梁理论分析。已知，厚梁的跨度L=90m，厚梁的宽度b=13m，厚梁的厚度h=70m。该区域的岩体主要也是角砾岩，安全系数n取2，经岩体体积节理数Jv统计后，岩体完整性指数KV取0.35，γ=27.2×103kN/m3。计算可得，σmax=2.36MPa＞σX=1.138MPa，不能满足强度要求;Wmax=142.3mm，参考表2可判定其可能产生大规模破坏。综合顶板厚梁抗拉强度和最大挠度的计算结果，可以判定结构模型Ⅲ可能产生大规模破坏。

2结构模型稳定性数值分析

2.1模型构建及边界条件根据圣维南原理及残矿赋存状况，确定3个模型的边界范围，见表3。边界条件设置:所有临空面和上表面为自由面，其余面则固定。计算所需的岩体物理力学参数见表1。计算步骤:①选用摩尔－库仑屈服准则，生成岩体初始应力场;②分步开挖至残矿圈定范围;③记录各模型的最大竖向位移、最大拉应力和塑性区。

2.2分析结果运用FLAC3D软件构建相应网格模型，并进行数值分析，结果如下。(1)模型Ⅰ的σmax≈0.23MPa，出现在采场顶、底板两端(见图6，正值为拉应力，负值为压应力，下同);最大竖向位移约为0.3mm(见图7)，出现在采空区顶板临近崩落区一侧的中部;无塑性变形区，表明模型Ⅰ是稳定的。(2)模型Ⅱ的σmax≈0.8MPa，出现在梁上表面固定端，自由端下部也出现拉应力(见图8);最大竖向位移约为1.6mm(见图9)，出现在自由端下部边缘;无塑性变形区，表明模型Ⅱ也是稳定的。(3)模型Ⅲ开挖一层时σmax≈1.4MPa，大于折减后的岩体抗拉强度，出现在采场顶板中部(见图10);最大竖向位移约为1.1mm(见图11)，出现在采场顶板中部;存在塑性变形区(见图12，顶板浅色部分为塑性变形区)，体积约为500m3，表明采场顶板存在冒顶塌落的危险。

2.3综合对比及评价结构模型的稳定性评价分为3个等级，即:①稳定;②较不稳定;③不稳定。分析结果的综合对比及评价见表4。通过对比发现，梁理论分析和数值模拟的结果基本一致，仅在模型Ⅲ的最大位移量分析中有较大差别。模型Ⅲ数值模拟的最大位移量很小，原因是数值模拟仅发生小规模塑性变形而无大规模失稳破坏，且塑形变形是个缓慢的过程，但仍然认为模型Ⅲ是不稳定的，实际情况亦然。

3结论

模型Ⅰ～Ⅲ是充分考虑残矿回采的特殊性，选取具有典型代表性的残采工程体构建的，基本能客观地反映残矿回采作业紧邻采空区、崩落区的实际情况，其分析结果具有较高的参考价值。(1)模型Ⅰ的分析结果是稳定的，从侧面验证其相应残矿回采点的回采方案是可行的。(2)模型Ⅱ的分析结果也是稳定的，表明该部分悬空岩体目前仍是稳定的，但鉴于其四面临空的状态，不排除受到较大扰动而失稳的可能性，建议封闭通往该区域的所有巷道。(3)模型Ⅲ的分析结果是不稳定的，表明其相应的回采方案是不可行的，需作出调整。(4)通过梁理论与数值模拟相耦合、相验证的方法，对残矿回采的采场顶板进行稳定性分析，可取得良好效果。分析结果与现场调研基本一致，表明梁理论分析与数值模拟相结合运用于残矿回采过程中采场顶板的稳定性分析具有较高的可靠性。

作者：姜立春赵东利单位：华南理工大学土木与交通学院华南理工大学安全科学与工程研究所