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使用RS2和RS3开发房柱采矿设计的新公式

2024-10-23 17:43:17
使用RS2和RS3开发房柱采矿设计的新公式

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如果我们用来确保地下采矿作业安全的传统方法可能导致效率低下和风险怎么办？这些预测采矿支柱压力的错误可能会导致代价高昂的过度设计，或更糟糕的是灾难性故障。
雅典国立技术大学的研究人员求助于我们的2D和3D有限元分析软件RS2和RS3，寻求比支流面积理论(TAT)更准确地预测应力的解决方案。
在这里，我们将介绍如何在研究中使用RS2和RS3来开发新的支柱设计公式，以提高安全性和运营效率。

背景介绍

支柱旨在支撑覆盖层，同时最大限度地开采资源。从历史上看，支流面积理论(TAT)一直是房柱采矿中估算矿柱应力的首选方法。但它经常因忽略复杂的应力重新分布机制而高估应力，这可能导致矿柱过大，从而降低采矿效率并增加成本。
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图1 根据TAT计算得出的肋状矿柱（左）和方柱（右）的支流区域和采后平均法向矿柱应力示例

挑战  

研究团队旨在克服支流面积理论（TAT）在预测矿柱应力方面的局限性，特别是在考虑不同矿柱几何形状的复杂性时。为了实现这一目标，他们需要采用2D和3D有限元分析来模拟肋骨和方柱中的应力分布。

模拟和分析如此广泛的支柱配置是我们的目标，挑战在于创建新公式并验证它们是否可以超越TAT并适用于不同的采矿场景。

解决方案    

RS2和RS3提供了精确模拟房柱采矿应力所需的先进有限元分析功能。这些工具可以对不同支柱类型的复杂几何形状进行详细分析，并且每个工具都解决了应力建模过程的特定方面。

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图2 开挖采场周围的2D和3D离散化和网格细化区域，在RS2（左）和RS3（右）中建模

使用RS2进行2D有限元分析

该团队使用RS2进行二维有限元分析，重点关注具有高长宽比(Lp/Wp>10)的肋柱，其中平面应变条件至关重要。这种设置可以精确模拟沿着这些又长又窄的支柱的应力分布。

该团队能够精确估计这些肋骨柱内预期的垂直应力，而传统方法无法做到这一点。二维有限元分析捕获了沿支柱长度的应力分布，并详细了解了这些结构在不同载荷和深度下的表现。  
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图3 开挖采场周围垂直应力(σyy)等值线图示例以及RS2中应力记录区域（以红色突出显示）的详细视图。请注意在尖角处观察到的高应力集中

使用RS3的3D有限元分析  

为了解决2D分析的局限性并对房柱布局的全部复杂性进行建模，研究人员采用RS3进行3D有限元分析。这对于方柱来说尤其重要，因为横切应力在方柱中发挥着重要作用。

RS3能够进行全面的应力分析，准确地表示支柱与周围岩石之间的相互作用。这些3D模拟有助于捕获通常容易出现应力过大和失效的支柱边缘和拐角处的应力集中。将这些3D结果与2D分析相关联可确保一致性并验证新的应力估计公式。   
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图4 RS3中矩形采场接触边缘垂直应力(σzz)记录区域和应力奇点位置的详细视图

结果  

通过结合2D和3D有限元分析，研究人员克服了传统方法的局限性，开发了新的可靠公式，可以准确反映各种采矿条件下矿柱应力的复杂性。该研究的总体主要发现包括：

更准确的应力估计方法：新公式与有限元结果紧密匹配，肋柱的偏差小于5%，方柱的偏差小于2%。这种高准确度表明了它们在现实采矿应用中的可靠性。

TAT的高估得到证实：研究表明，支流面积理论(TAT)高估了支柱应力，尤其是细长方形支柱的应力，高估高达2.5倍。TAT未能考虑复杂的应力重新分布以及支柱与围岩之间的相互作用，从而导致设计过于保守。新开发的公式通过提供更准确、更现实的应力预测来克服这个问题，更好地反映实际的矿山条件。   

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图5 使用TAT和3D有限元分析对覆盖层高度为150m和250m的方柱中的平均垂直应力进行比较

这些公式多功能且高效：这些公式经过了一系列覆盖层深度（50m至350m）的验证，适用于各种采矿条件。他们高效的计算开发还支持实际实施，因此设计和运营阶段都可以节省时间和成本。

此外，新开发的公式是：
对于肋柱：
σav.ver=Sx(1+WR/WP)0.8    
这里：
·σav.ver是肋柱顶部的平均垂直应力。
·是地静应力（由于覆盖层重量产生的应力）。
·是房间宽度。
·是柱子宽度。
对于方形柱：
σav.ver=2.1xSxWR0.9/WP0.7
这里：
·σav.ver是沿肋柱顶部作用的平均垂直应力。
·是地静应力。
·是房间宽度。
·是柱子宽度。

结论

RS2和RS3证明了先进有限元分析在开发和验证更精确的应力估计公式方面的有效性。借助这些工具，工程师可以更可靠地优化资源开采并设计更安全的采矿作业。

有关房柱式采矿设计的常见问题    

为什么准确的应力预测在房柱采矿中很重要？

准确的应力预测直接影响地下结构的安全性和稳定性。支柱需要承受它们将遇到的特定载荷，但设计也需要与项目的总体范围和预算保持一致。

不正确的压力估计可能会导致矿柱设计过度、资源浪费或设计不足，所有这些都有倒塌的风险，并可能伤害矿井中的任何人。

设计安全高效的采矿支柱面临哪些典型挑战？

可能存在一些挑战，包括准确预测应力分布、考虑不同的地质条件以及平衡材料使用与稳定性要求。工程师必须确保支柱足够坚固，能够支撑覆盖层，但又不能过于保守，否则会浪费资源。

此外，矿柱几何形状的复杂性以及需要考虑不同的采矿深度和配置使得设计过程复杂且要求严格。但像RS2和RS3这样的工具可以提供帮助！

上覆压力如何影响房柱采矿中的矿柱稳定性？

覆盖压力（即矿柱上方岩石和土壤的重量）会影响矿柱稳定性，因为较高的覆盖压力会增加矿柱上的应力，需要更坚固的设计来防止倒塌。   

对上覆压力考虑不充分可能会导致支柱失效，从而导致潜在的安全隐患和运营中断。工程师应正确考虑上覆压力，以设计能够安全支撑其上方负载的支柱。

支流区理论(TAT)在支柱设计中的局限性是什么？

支流面积理论(TAT)的局限性在于它倾向于高估应力，尤其是在细长方柱等复杂的几何形状中。TAT假定均匀的载荷分布，并且没有考虑实际采矿条件下发生的复杂的应力重新分布。这通常会导致过于保守的设计，无法优化材料使用或充分考虑真实的应力环境，因此对于现代采矿作业来说可能不太可靠。

在采矿设计中使用有限元分析(FEA)有哪些好处？

有限元分析(FEA)在采矿设计中具有诸多优势，包括提高精度、详细建模以及模拟复杂应力条件的能力。FEA允许工程师创建关于应力如何分布在各种支柱几何形状和材料上的精确模型，从而做出更明智的设计决策。这种详细程度有助于优化支柱尺寸和布局，提高安全性和效率，同时降低过度设计或结构故障的风险。

2D和3D有限元分析如何共同改进支柱应力估计？

2D和3D有限元分析(FEA)可以为您提供详细、准确的支柱内应力分布模型，从而显着增强支柱应力估计。与传统方法不同，FEA考虑了支柱几何形状和材料属性的复杂性，可以更精确地模拟不同配置的应力分布。   
通过对2D和完整3D条件进行建模，FEA可以全面了解您的潜在压力点，帮助您做出更明智的设计决策。

         

 

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