程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定性数值分析

0L:10133745 issnl001-0x20004.031 第22卷第4期 北京科技大学学报 VoL.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定性数值分析 宋卫东》王金安” 匡忠祥) 1)北京科技大学资源T程学院，北京1000832)武钢8矿业公司430080 清要采用FLAC3D软件对淹井前后，加固前后采场溜井的稳定状况进行模拟计算，验证 丁所采取加固技术的可靠性和合理性，该模拟计算对类似矿山采场溜井的加固和恢复具有重 要的参考价值。 关德词淹井：采场溜井：加固：稳定性分析 分类号TD352 由于程海铁矿淹井事故造成溜井长时间的 擂井3.2m 浸泡，加之矿岩本身的水理性较强，造成采场溜 井大面积绑塌，总的破坏率高达562%.其原因 15° 中与该矿岩体工程环境条件、井简支护级别、管 理水平和应力集中的影响密切相关.因此溜井 的综合治理措施应从溜井位置的选择、断面形 状和大小的确定以及加强使用管理等方面入手 断层带 (北京科技大学科研成果鉴定报告，1999年). 现场采用抗剪锚杆加浇灌混凝土技术加 一锚杆 固采场溜并，取得了十分理想的工程效果.本文 60° 运用三维有限插分数值计算方法，从整体和局 部上分析淹井前后、加固前后溜井围岩的应力 25m 分布，塑性破坏区和岩体移动等3个方面的力 50m 学状态. 图1溜井图岩穗定性三维数值计算总体横型 Fig.1 The overall model for numerical analysis on the or- 1模型设计 epass stability 计算采用国际先进的三维有限插分程序 围岩分组 FLACD.根据对称性原则，计算模型取自溜井的 1/2.如图1所示，模型高120m,长50m,宽25m. ■原岩 ■未支护的井壁围岩 加固前，溜井直径为3.2m,溜井围岩岩性是斑 ■断层 状花岗岩.在模型中部有断层通过溜井，在模拟 ■支护的并雕围岩石 计算条件下，断层厚度取6m,断层倾角60°，断 层充填物为的卡岩，断层走向与矿房进路在水 平面上的交角为50°.模拟段在400m深度左右， 计算网格划分遵循从溜井中心到模型边界由密 渐疏的原则，三维模型共划分为37440个六面 体单元（图2）. 计算模型的边界条件是：在模型上部施加 19912-29收精宋卫东男33岁，副敏授 图2潮井图岩加因工程稳定性三维数值计算模型网格 ★因家治鱼工业局“九五"重点科研项目 Fig.2 3-D mesh for numerical analysis on orepass stabllity

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 04. 031

Vol.22 No.4 宋卫东等：程湖铁淹井前后采场溜井稳定性数值分析 ·293· 一9.0MTa的垂直压力，模拟上部岩体的自重作 剖面上的分布特征是：应力峰值距井简边缘2~3 用。棋型四周限制水平移动，底部限制垂直移 m,局部出现拉应力约0.23MPa:在断层带通过 动.根据现场原始地应力测量结果，经换算，垂 井筒的位置，井筒边缘应力降低区和围岩体中 直于断层走向方向(X一方向)的水平应力为 的峰值应力范围相对扩大，这与岩体产生塑性 -16MPa,平行断层走向的水平应力为-15.15 变形后应变软化阶段的岩体强度降低有关， MPa,剪切力1.55MPa. (3)在井简垂直剖面上，断层附近围岩塑性 区宽度为1.5m左右，在与断层交叉位置，塑性 2模拟计算参数 区宽度有所增加，最大达到2m.在水平剖面上， 本计算采用的岩体力学参数由表1给出， 并筒围岩的塑性区基本上是对称均匀分布的. 围岩的主要运动为径向水平方向的移动，在并 寝1岩体材料参数 简与断层交界位置围岩位移量最大，达7.1mm, Table I Material parameters of rock mass 计算结果表明，溜并开挖后在井简围岩局 岩石名称pkgm” E/GPa F/MPa 部产生应力集中，造成边缘围岩体的塑性破坏， 斑状花岗岩 4120 29.5 0.28 3.1 局部产生拉应力.在井筒溜矿过程中，如果受到 矽卡岩 2630 23.1 0.21 2.5 矿岩冲击，无支护状态下的溜井会出现局部围 岩石名称 ak) o,/MPa ,/MPa 岩体的脱落。 衡状花岗岩 24.7 72.24 2.67 矽卡岩 26.3 64.56 2.50 32发生意井事故后，溜并无支护、岩体强度降低 30%条件下的圈岩力学状态 考患到岩体进入塑性破坏状态后，峰后强 (1)整个溜井围岩塑性区宽度均有所增加， 度随变形发展而逐步降低的力学特性，模拟计 特别是在断层附近，溜井围岩塑性区宽度增加 算采用应变软化本构模型，淹井后，岩体的强度 到3m左右，破坏状态也极其复杂：对井筒稳定 降低30%左右.溜并加固采用抗剪锚杆+浇灌混 性有直接影响的是处于断层带上下盘卸载后的 凝土层的技术.具体参数为：锚杆长2m,外露 拉破裂岩体，该部位岩体在无支护状态下发生 02m,与浇灌混凝土.合为-体；锚杆果用中20mm 垮落是难免的 普通螺纹钢筋，尺寸布置的密度为0.5m×0.5m, (2)图3是断层附近围岩在垂直剖面上的塑 在垂直剖面上下倾15°，溜井中锚固段长度70 m:锚杆的平面投影呈环形放射状布置，井壁浇 灌混凝土标号为C25,浇灌厚度0.3m,如图2 所示. 3模拟计算过程及结果分析 3.1主溜井开挖后的图岩力学状态 (I)溜井开挖后在无支护状态下的围岩总 体主应力分布是：近水平方向作用的最大主应 力在远离井筒10m以外岩体中，基本上.处于均 匀分布状态，从井筒边缘到半径10m范围内的 岩体，最大主应力分布出现由低到高、再由高到 低的过渡，其中应力集中区内的最大主应力为 -27MPa,是原始地应力的1.6倍. 垂直方向作用的主应力为最小主应力，在 口无破坏■曾经剪切破环，当前剪切破坏 井筒围岩体中的宏观分布规律是随岩体深度的 ■管经拉剪破坏，当前拉破坏■踏经受剪破坏 增加而增大，在井筒边缘则出现应力下降现象， ■曾经拉剪破坏，当前受剪破坏 并伴随有少量的拉应力产生， 图3淹并后断层附近圈岩的塑性破坏区分布（垂直剂面） (2)断层附近主应力在垂直剖面和在水平 Fig 3 Distribution of rock's plastical destructive area near the fault after submerged well(verical section)

·294· 北京科枝大学学报 2000年第4期 性区范围，如图所示，岩体位移主要发生在井壁 边缘，特别是断层带附近岩体移动加剧，主要运 动方向接近水平方向，最大移动量达19m.可 见，溜井边缘岩体在无支护状态下发生垮落也是 显然的.从岩体力学角度分析，岩体强度下降和 围岩中高拉应力的出现，最终导致岩体大规模的 破坏与失稳. 33溜井加固后图岩力学状态 对井筒边缘岩体采用抗剪锚杆+浇灌混凝土 支护，增加了对岩体的挤压与约束，在一定程度 上提高岩体强度和稳定性，计算结果表明： ()加固后溜井围岩体内的最大主应力下降 到-25.4MPa,最小主应力基本上是压应力，局部 最大拉应力为0.2MPa.在断层带附近，溜井围岩 尽管仍存在一定宽度的应力降低区，但已完全处 口无破坏■管经剪破坏■管经拉剪破环 于压应力状态， (2)由图4和5分别给出垂直剂面和水平剖 图5水平剂面渭井加固后断层附近围岩堂性破坏区分布 面溜并经加固后围岩塑性破坏区分布情况看，锚 Fig.5 Distribution of rock's plastical destructive area near 固圈范围内的已经发生塑性变形的围岩体没有 the fanlt after reinforcement(horizonal sectiou) 产生新的破坏，锚杆在受锚固岩体中最大锚固力 4`结论与建议 为2.6N,使岩体处于相对稳定的状态， (3)溜井经加固后断层附近围岩最大位移量 (1)应用三维有限插分数值计算方法，从岩 为12mm,说明加固工程可以有效地控制了围岩 体应力分布、塑性破坏区和岩体移动三个方面， 变形，达到了提高围岩强度和稳定性的目的， 从整体和局部系统分析了溜井开挖后、岩体整 体强度降低30%和经过加固后的围岩力学状 态，揭示了溜井遭受软弱结构面破坏井简围岩 变形机理和加固工程的力学机制， (2)溜井开挖后，井筒围岩局部应力集中， 造成井简边缘2m左右范围岩体进入塑性破坏 状态，局部围岩有少量拉应力存在，在井简溜矿 过程中，无支护状态下的溜井会出现局部围岩 体的脱落。 (3)岩体整体强度降低30%后，局部岩体中 出现很高的拉应力：溜并围岩塑性区宽度增加 到3m左右，最大移动量达19m,围岩应力集中 程度增加和围岩中高拉应力的出现，最终导致 岩体大规模的破坏与失稳， (4)对井筒边缘岩体采用抗剪锚杆+浇灌混 凝土支护，增加了对岩体的挤压与约束，在一定 口无破坏 ■皆经剪破坏■曾经拉剪破坏 程度上提高岩体强度，增强岩体的稳定性，岩体 内的最大主应力下降到-25.4MPa,最小主应力 图4季重削面混井加因后断层附近图岩塑性破坏区分布 基本上为压应力：锚杆在围岩内控制了塑性变 Flg.4 Distribution of rock's plastical destructive area near 形发展，岩体处于相对稳定的状态：围岩移动得 the fanlt after reinforcement(verical section) 到有效控制，达到了提高围岩强度和稳定性的 目的，经过加固后的溜井，可以保证在稳定的工

Vol.22 No.4 宋卫东等：程潮铁矿淹井前后采场溜并稳定性数值分析 ·295· 作状态下投入运行， 参考文献 (4)由于加固后的围岩体经历过塑性破坏1于学馥地下工程围岩稳定性分析.北京：煤炭工业出 过程，其强度特性仍然会随外界的剧烈扰动发 版社，1983 生变化.因此，建议现场对放矿过程进行控制， 2 Sharma K G,Pande G N.Stability of Rock Masses Rein- 避免对井壁的严重冲击，在井筒运行期间，对井 forced by Passive Fully-grouted Rock Bolts.Int J Rock Mech Min Sci,1988,25(5):55 筒的状况进行常规监测，及时对破坏部位进行 处理，使井筒始终处于良好的工作环境和状态 之中. Numerical Analysis on the Stope Orepass Stability in the Pit of Chengchao Iron Mine in Front and Behind Submerged Well SONG Weidong"WANG Jin'an,KUANG Zhongxiang 1)Resources Engineering School.UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Mining Corp.of Wuhan Iron and Steel Company,Wuhan 430080,China ABSTRACT FLAC 3D is used in the numerical simulation on the stope orepass stability in front and behind sumberged well and reinforcement.The reliability and reasonableness of reinforce technique are verified.Its important reference value could be used to similar stop orepasses. KEY WORDS submerged well;stope orepass;reinforcement;stability analysis 女幸本来章本海本幸存年必在★年督章心本个令女◆春来衣幸女女来本本衣者泰章泰◆单染旅★旋海海旅海冷本章茶★米米哈茶冷◆冷海水将*米冷 Effect of Al"on Tobermorite Crystallinity Fengmei Liu,Deping Chen,Wen Ni,Zhenyuan Cao Resources Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China (Received 1999-08-03) Abstract:The difference between the systems of CaO-SiO,-H.O and CaO-SiO2-Al(OH),-H2O,was studied, especially the effect of Alon the crystallinity of tobermorite was focussed.As a result,in the system of CaO- SiO:-H2O,tobermorite formed early,however,with reaction time forward,tobermorite was replaced by xonotlite.So far as CaO-SiO,-Al(OH)-H.O was concerned,hydrothermal reaction was carried out under the same condition as CaO-SiO:-H2O to study the morphological changes of tobermorite crystals.It was found that Alaccelerated the crystal growth of tobermorite to some extent and was in favor of platy crystals.Moreover, with the Al"content increasing in the starting material,the morphology of tobermorite did not change mag- nificently,but platy crystals became more and more eminent.As soon as the Al.O,content was over 15.6%, synthetic mineral greatly changed in structure and turned into hibschite different from 1.1 nm tobermorite.Ob- viously,xonotlite was not apt to form in the presence of Al". Key words:calcium silicate hydrate;xonotlite;1.1 nm tobermorite;hibschite (From:Journal of University of Science and Techonlogy Beijing(English Edition),2000,7(2):79)

V b l . 2 2 N 0 . 4 宋卫 东等 : 程 潮铁 矿淹井 前后采 场溜 井稳定性 数值分 析 一 2 9 5 - 作状态下 投入 运行 . (4 ) 由于 加 固 后 的 围 岩 体经 历 过 塑 性 破 坏 过 程 , 其 强 度特性 仍然 会随 外 界 的剧 烈 扰动 发 生 变化 . 因此 , 建议现场对 放矿过程进行控 制 , 避免对 井壁 的严重 冲击 . 在井筒运行 期 间 , 对井 筒 的状况 进行 常规监测 , 及时 对破坏部 位进行 处 理 , 使井筒 始终处 于 良好 的工 作 环 境和 状态 之 中 . 参 考 文 献 1 于 学馥 . 地 下工程 围岩稳 定性分 析 . 北 京: 煤 炭工业 出 版社 , 1 98 3 2 S h a r l l l a K G , Pan d e G N . S at bi lity o f R o e k M as s e s eR in - of r c e d by P as s i v e F u lly 一 g o u t e d OR e k B o l t s . iht J R o e k M e c h M in S c i , 1 9 8 8 , 2 5 ( 5 ) : 5 5 N um e ir e a l A n a ly s i s o n ht e S t o P e O r e P a s s S tab ili yt i n ht e P i t o f C h e n g e h a o I r o n M i n e i n F r o n t a n d B e h i n d Sub m e gr e d W七11 肠ido gn ! ) , 恻万G iJ n 公nl), K UA N G hZ o n g x ia 心 , l ) R es o ur ce s E n g in e e mr g S e ho o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , Ch in a Z) M in i n g C o rp . o f W hu an I or n an d S t e e l C o m P an y l W u h an 4 3 0 0 8 0 , Ch in a A B S T R A C T F L A C 3 D 1 5 u s e d i n t h e n itm e ir e a l s而u l at i o n o n ht e s t o P e o r e P a s s s t a b i lity i n fr o in an d b e h in d s um b e gr e d w e ll an d r e in of r e e m e nt . hT e r e li a b ility an d r e a s o n a b l e n e s s o f r e i n of r e e t e e hn iqu e are v e ir if e d . Its 而 P o rt a n t r e fe r e n c e v a l u e e o u ld b e u s e d t o s加il ar s t o P o r e P a s s e s . K E Y W O R D S s u bm e gr e d w e ll: s t o Pe o r e Pa s s : r e i n of cr e m e nt : s atb ility an a l y s i s E fe e t o f A I升 o n OT b e r m o r i t e C ry s t a il n i ty eF n 脚 e i L i u , D eP ign hC e n , 肠 n iN, hZ e yn u a n aC o R e s o cur e s E n g in e e inr g S c h o o l , U n i v e rs ity o f s e ien c e an d eT e h n o l o gy B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a ( R e e e i v e d 199 9 一 0 8 一 0 3 ) A b s tr a e t : hT e d i fe r e n e e b e tw e e n ht e s y s t e m s o f C a O 一 5 10 2一 H Z O an d C a o 一 5 10 2 一 A I(O H ) 3一 H Z O , w a s s ut d i e d , e s ep e i a lyt ht e e fe e t o f A I , ` o n ht e e yr s at lli n i yt o f t o b e mr o ir t e w a s fo e u s s e d . A s a r e s u lt , i n ht e sy st e m o f C a o - 5 10 2一 H 2 0 , ot b e mr o ir t e fo mr e d e ar l苏 h o w e v e r, w iht r e a e t i o n t加 e fo wr ar d , t o b e mr o ir t e w a s r e Pl a e e d 勿 x on olt it e . 5 0 far a s C a O 一 5 10 2一 A I (O H ) 3一 H Z O w a s e o n e e m e d , 坤dr o ht e mr a l r e a e t i o n w a s e a r l e d o ut un d e r ht e s am e e on d iit o n a s C a O 一 5 10 2一 H Z O t o s ut 勿 ht e m o rp h o l o g i e a l e h an g e s o f t o b e mr o ir t e e yr s at l s . It w a s fo un d ht at A I , ` a e e e l e r at e d ht e e yr sat l gr o v 八h o f t o b e mr o ir t e t o s o m e e x t e n t an d w a s in fa v or o f Pl ayt e yr s at l s . M o er o v e r, w iht ht e A I , + e o ent nt in c r e a s in g i n t h e s t art i n g m aet ir a l , ht e m o rp h o l o gy o f t o b emr o ir et id d n o t e h a n g e m ag - in fl e e n t ly , b ut P l ayt e yr s at l s b e e am e m o r e an d m o r e e m in e in . A s s o o n a s ht e A 1 2 O , e o nt e nt W a s o v e r 15 . 6% , s y n t h e it e m i n aer l gr e at l y e h an g e d in s trU e tUr e an d t u r n e d int o h i b s e h it e d i fe r e nt for m 1 . 1 nm t o b e mr o irt e . O b - v i o us ly, x o n olt it e w a s on t ap t t o fo mr i n ht e P r e s e n e e o f A I ,气 K e y w o r d s : e a l e l u m s ili e aet 场 dr at e ; x o n o t lit e ; 1 . 1 nr t o b e mr o ir t e ; h ib s e h i et (月阳 m: oJ u r n a l of nU ive sr i粉 of sc i e n c e a n d eT c h o n l o 舒 B e j i n g (万 n g lis h E id t io n ) , 2 0 0 0 , 7 ( 2 ) : 7 9 )