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摘要：下向进路合理断面的确定是下向进路充填采矿法安全经济高效开采的关键。为得到下向进路最优断面，文章以山东某金矿为工程背景，采用有限元软件ABAQUS建立了下向进路钢筋网充填体混合模型，并对18种进路断面的塑性区、顶板最大沉降位移以及最大拉应力进行了分析。结果表明，巷道优选断面为3.0m（高度）×3.4m（宽度），工业试验表明该方案实现了下向进路法安全经济高效开采。
关键词：ABAQUS；数值模拟；下向进路；进路断面；塑性区；充填采矿法
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0130-02
随着无轨自行设备在地下金属矿山的推广应用，下向进路胶结充填采矿法以其回收率高、贫化损失小、回采强度大等显著优势，进入现代化采矿技术之列，而下向进路合理断面的确定是下向进路充填采矿法安全经济高效开采的关键。下向进路断面受钢筋网性能、承载层厚度、进路宽度、进路高度、充填体泊松比、进路侧帮弹模和承载层弹模等多参数影响，顾伟、O’Hearn B等采用“薄板”和“简支梁”模型对下向进路断面进行了优选，但该类方法对下向进路作了大量简化，其结果可靠性较差；周科平、冯仲仁分别对下向进路进行了相似模拟实验和现场位移监测，此类方法效果较好，但存在周期长、成本高的缺陷。
1 工程概况
1.1 工程背景
山东某金矿矿体走向NE30°～60°，倾向SE，倾角54°～86°，平均厚度8.87m，平均品位4.96g/t。矿体极破碎，矿岩稳固性极差，为此矿山采用盘区下向多进路回采方式、下盘脉外斜坡道+分段运输平巷采准系统、无轨设备凿岩出矿及C料尾砂胶结充填技术，采矿工艺水平先进，而与之相适应的进路断面亟待确定。
1.2 材料力学参数
通过对该矿区矿岩取样测试、充填体强度试验及查
找钢筋规范，得出该矿区矿岩、充填体和钢筋力学参数。
2 ABAQUS数值模型及方案
2.1 数值模型
由现场生产知进路长度远大于进路宽度和高度，故模型可采用平面应变有限元分析，回采时采用隔一采一的方法，同时开采2～3条进路，典型的情况为每次掘进时进路的顶部、左侧和右侧为充填体，进路底部为未开挖矿体，进路顶板铺设金属网，金属网横筋为主要受力构件，按300mm间距布置，因此指定平面应变厚度为0.3m，布置一根横向钢筋Φ12mm。
2.2 数值方案
本次模拟采用三个分步进行：第一步，加载矿区地应力（取埋深600m）；第二步，加载1∶10和1∶4充填体自重引起的均布荷载；第三步，开挖进路，移除进路所在位置的单元。按照该矿区现有生产水平，选取进路宽度为2.6m、2.8m、3.0m、3.2m、3.4m和3.6m，进路高度为2.8m、3.0m和3.2m的18种组合进行研究。
3 结果分析
3.1 塑性区分析
由进路塑性区变形可知进路顶板塑性区主要发生在进路左、右尖角处，这是由应力集中造成的；进路两帮塑性区变形是由于进路侧帮充填体的弹性模量较小，与金属网接触部位受到较大压力所致。进一步分析，将各种方案的顶板及两帮塑性区发展情况汇总。可知顶板均未出现塑性区贯通现象，因此只考虑两帮塑性区贯通情况，以（高度，宽度）表示，可选工况有（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（2.8，3.6）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）、（3.2，3.4）、（3.2，3.6）。
3.2 最大沉降位移分析
进路顶板最大沉降位移可知进路高度为2.8m、3.0m时，顶板最大位移几乎相同，而进路高度为3.2m时，最大沉降高于二者；进路宽度为2.8～3.4m时，进路顶板最大位移变化较小，因此选择进路高度2.8～3.0m、宽度2.8～3.4m时的工况为合理值。
3.3 最大拉应力分析
各工况下人工假顶内充填体最大主拉应力均小于0.1MPa，不会出现拉应力破坏，故只考虑钢筋最大主拉应力，钢筋最大主拉应力往往出现在开挖进路的两帮位置，进路高度3.0m是钢筋最大主拉应力增强的转折点，目前钢筋的受力远未达到其200MPa的抗拉强度设计值，不会出现拉应力破坏。综上分析知工况（2.8，3.0）、（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）在力学上是合理的优选方案。考虑到矿山开采效率，宜采用断面较大者，故最终选取3.0m（高度）×3.4m（宽度）作为优选断面。现场工业试验表明，该方案实现了下向进路充填采矿法安全经济高效开采。
4 结语
本文采用有限元软件ABAQUS建立了下向进路钢筋网充填体混合模型，并对18种进路断面的塑性区、顶板最大沉降位移以及最大拉应力进行分析，得到如下结论：（1）进路顶板塑性区主要发生在进路左、右尖角处，但未出现贯通现象，进路两帮塑性区变化较大，可能出现贯通现象，威胁矿山安全；（2）进路高度为2.8m与3.0m时，顶板最大位移几乎相同，而进路高度为3.2m时，最大沉降高于二者，进路宽度为2.8～3.4m时，进路顶板最大位移变化较小；（3）各工况下人工假顶内充填体最大主拉应力均小于0.1MPa，且钢筋最大主拉应力远未达到其抗拉强度允许值200MPa，不会出现拉应力破坏；（4）综合18种进路断面的塑性区、顶板最大沉降位移以及最大拉应力进行分析，选取3.0m（高度）×3.4m（宽度）作为优选断面，实现了下向进路充填采矿法安全经济高效开采。
参考文献
[1] PENG Kang，LI Xi-bing，WAN Chuan-chuan，PENG Shu-quan.Research on safe mining technology of undersea metal Mine[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，（3）.
[2] 彭康，李夕兵.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（8）.
[3] 彭康，李夕兵.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（11）.
[4] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying
[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.
[5] 李夕兵，刘志祥，彭康.金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践[J].岩石力学与工程学报，2010，29（10）.
[6] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying
[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.
作者简介：王志强（1972-），男，山西晋中人，晋中市煤炭工业局矿业工程师，研究方向：采矿技术管理。
关键词：ABAQUS；数值模拟；下向进路；进路断面；塑性区；充填采矿法
中图分类号：TD263 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0130-02
随着无轨自行设备在地下金属矿山的推广应用，下向进路胶结充填采矿法以其回收率高、贫化损失小、回采强度大等显著优势，进入现代化采矿技术之列，而下向进路合理断面的确定是下向进路充填采矿法安全经济高效开采的关键。下向进路断面受钢筋网性能、承载层厚度、进路宽度、进路高度、充填体泊松比、进路侧帮弹模和承载层弹模等多参数影响，顾伟、O’Hearn B等采用“薄板”和“简支梁”模型对下向进路断面进行了优选，但该类方法对下向进路作了大量简化，其结果可靠性较差；周科平、冯仲仁分别对下向进路进行了相似模拟实验和现场位移监测，此类方法效果较好，但存在周期长、成本高的缺陷。
1 工程概况
1.1 工程背景
山东某金矿矿体走向NE30°～60°，倾向SE，倾角54°～86°，平均厚度8.87m，平均品位4.96g/t。矿体极破碎，矿岩稳固性极差，为此矿山采用盘区下向多进路回采方式、下盘脉外斜坡道+分段运输平巷采准系统、无轨设备凿岩出矿及C料尾砂胶结充填技术，采矿工艺水平先进，而与之相适应的进路断面亟待确定。
1.2 材料力学参数
通过对该矿区矿岩取样测试、充填体强度试验及查
找钢筋规范，得出该矿区矿岩、充填体和钢筋力学参数。
2 ABAQUS数值模型及方案
2.1 数值模型
由现场生产知进路长度远大于进路宽度和高度，故模型可采用平面应变有限元分析，回采时采用隔一采一的方法，同时开采2～3条进路，典型的情况为每次掘进时进路的顶部、左侧和右侧为充填体，进路底部为未开挖矿体，进路顶板铺设金属网，金属网横筋为主要受力构件，按300mm间距布置，因此指定平面应变厚度为0.3m，布置一根横向钢筋Φ12mm。
2.2 数值方案
本次模拟采用三个分步进行：第一步，加载矿区地应力（取埋深600m）；第二步，加载1∶10和1∶4充填体自重引起的均布荷载；第三步，开挖进路，移除进路所在位置的单元。按照该矿区现有生产水平，选取进路宽度为2.6m、2.8m、3.0m、3.2m、3.4m和3.6m，进路高度为2.8m、3.0m和3.2m的18种组合进行研究。
3 结果分析
3.1 塑性区分析
由进路塑性区变形可知进路顶板塑性区主要发生在进路左、右尖角处，这是由应力集中造成的；进路两帮塑性区变形是由于进路侧帮充填体的弹性模量较小，与金属网接触部位受到较大压力所致。进一步分析，将各种方案的顶板及两帮塑性区发展情况汇总。可知顶板均未出现塑性区贯通现象，因此只考虑两帮塑性区贯通情况，以（高度，宽度）表示，可选工况有（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（2.8，3.6）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）、（3.2，3.4）、（3.2，3.6）。
3.2 最大沉降位移分析
进路顶板最大沉降位移可知进路高度为2.8m、3.0m时，顶板最大位移几乎相同，而进路高度为3.2m时，最大沉降高于二者；进路宽度为2.8～3.4m时，进路顶板最大位移变化较小，因此选择进路高度2.8～3.0m、宽度2.8～3.4m时的工况为合理值。
3.3 最大拉应力分析
各工况下人工假顶内充填体最大主拉应力均小于0.1MPa，不会出现拉应力破坏，故只考虑钢筋最大主拉应力，钢筋最大主拉应力往往出现在开挖进路的两帮位置，进路高度3.0m是钢筋最大主拉应力增强的转折点，目前钢筋的受力远未达到其200MPa的抗拉强度设计值，不会出现拉应力破坏。综上分析知工况（2.8，3.0）、（2.8，3.2）、（2.8，3.4）、（3.0，3.0）、（3.0，3.2）、（3.0，3.4）在力学上是合理的优选方案。考虑到矿山开采效率，宜采用断面较大者，故最终选取3.0m（高度）×3.4m（宽度）作为优选断面。现场工业试验表明，该方案实现了下向进路充填采矿法安全经济高效开采。
4 结语
本文采用有限元软件ABAQUS建立了下向进路钢筋网充填体混合模型，并对18种进路断面的塑性区、顶板最大沉降位移以及最大拉应力进行分析，得到如下结论：（1）进路顶板塑性区主要发生在进路左、右尖角处，但未出现贯通现象，进路两帮塑性区变化较大，可能出现贯通现象，威胁矿山安全；（2）进路高度为2.8m与3.0m时，顶板最大位移几乎相同，而进路高度为3.2m时，最大沉降高于二者，进路宽度为2.8～3.4m时，进路顶板最大位移变化较小；（3）各工况下人工假顶内充填体最大主拉应力均小于0.1MPa，且钢筋最大主拉应力远未达到其抗拉强度允许值200MPa，不会出现拉应力破坏；（4）综合18种进路断面的塑性区、顶板最大沉降位移以及最大拉应力进行分析，选取3.0m（高度）×3.4m（宽度）作为优选断面，实现了下向进路充填采矿法安全经济高效开采。
参考文献
[1] PENG Kang，LI Xi-bing，WAN Chuan-chuan，PENG Shu-quan.Research on safe mining technology of undersea metal Mine[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，（3）.
[2] 彭康，李夕兵.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（8）.
[3] 彭康，李夕兵.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（11）.
[4] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying
[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.
[5] 李夕兵，刘志祥，彭康.金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践[J].岩石力学与工程学报，2010，29（10）.
[6] PENG Kang，LI Xi-bing.A numerical simulation of seepage structure surface and its feasibility verifying
[J].Journal of Central South University of Technology（English Edition），2013，（5）.
作者简介：王志强（1972-），男，山西晋中人，晋中市煤炭工业局矿业工程师，研究方向：采矿技术管理。