石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析及試驗(yàn)研究

彭 斌，陳才賢，楊軍偉

(六盤水師范學(xué)院， 貴州六盤水市 553004)

石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析及試驗(yàn)研究

彭 斌，陳才賢，楊軍偉

(六盤水師范學(xué)院， 貴州六盤水市 553004)

通過巖石力學(xué)試驗(yàn)，運(yùn)用Hoek－Brown準(zhǔn)則及Roclab軟件得出石膏礦巖體的力學(xué)參數(shù)?；诘V柱上的荷載、礦柱中的應(yīng)力分布和礦柱自身強(qiáng)度的計(jì)算方法，得出某石膏礦山條形礦柱的安全系數(shù)為1．5～2．0。根據(jù)Bieniawski的面積承載理論和強(qiáng)度計(jì)算公式，采用反分析法對(duì)礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，在開采深度為130 m時(shí)推薦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:條形礦柱寬度≥6 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m。整個(gè)分析過程簡(jiǎn)單可靠，可以為石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析提供參考。

巖石力學(xué)試驗(yàn);Hoek－Brown準(zhǔn)則;礦柱設(shè)計(jì);穩(wěn)定性分析

目前，我國(guó)石膏礦山多采用房式采礦法開采，留設(shè)礦柱維護(hù)井下采空區(qū)的穩(wěn)定［1～4］。礦柱尺寸留設(shè)的過小，會(huì)造成頂板失穩(wěn)［5］，導(dǎo)致冒頂甚至地表沉陷;反之，勢(shì)必造成資源的浪費(fèi)。因此，合理的礦柱尺寸，是保證安全生產(chǎn)、資源回收的前提。本文結(jié)合湖南某石膏礦的實(shí)際，運(yùn)用巖石力學(xué)的研究方法探討石膏礦礦柱的留設(shè)及其穩(wěn)定性。

1 礦山概況

湖南某石膏礦山生產(chǎn)為5萬t/a，礦山服務(wù)年限為10 a，采用斜井開拓。采礦方法為房式采礦法，水平分層開采。

采區(qū)內(nèi)礦體(礦層)產(chǎn)于下第三系古新統(tǒng)第二段上部紫紅色泥質(zhì)粉砂巖中。礦體呈層狀產(chǎn)出，層位穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩，礦體總體走向?yàn)楸睎|、南西向，傾向北西。礦層傾角10°～15°，與巖層產(chǎn)狀一致。開采深度為+3．0～ －34．0 m，地表高度約為100 m，則平均采深為110 m左右，礦層厚為13．39 m，品位63．07%。

2 巖石力學(xué)試驗(yàn)

試樣為完整性較好的石膏礦巖塊，直徑為Ф50 mm左右，高徑比約為2∶1。在全數(shù)字型液壓伺服剛性巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS－815型)上進(jìn)行單軸抗壓、抗拉試驗(yàn)。

2．1 單軸抗壓試驗(yàn)

圖1～圖5為單軸壓縮的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，圖6為經(jīng)整理后的試樣單軸壓縮條件下的載荷－位移曲線。單軸抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

圖1 石膏礦應(yīng)力－應(yīng)變曲線(HY1－1)

圖2 石膏礦應(yīng)力－應(yīng)變曲線(HY1－2)

圖3 石膏礦應(yīng)力－應(yīng)變曲線(HY1－3)

圖4 石膏礦應(yīng)力－應(yīng)變曲線(HY1－4)

圖5 石膏礦應(yīng)力－應(yīng)變曲線(HY1－5)

圖6 石膏礦載荷—位移曲線

表1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2．2 單軸抗拉試驗(yàn)

各試樣的抗拉強(qiáng)度結(jié)果見表2。

表2 圍巖劈裂抗拉參數(shù)設(shè)定值

3 礦巖力學(xué)參數(shù)的確定

(1)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理。采用Hoek－Brown導(dǎo)出巖石破壞時(shí)的主應(yīng)力之間的關(guān)系式:

式中，σ1——破壞時(shí)的最大主應(yīng)力;

σ3——作用在巖石試樣上的最小主應(yīng)力;σc——試樣中完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;

mi——巖塊經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映巖石的軟硬程度;si——巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映巖體破碎程度。mi、si值可由以下方法確定:

(2)巖體力學(xué)參數(shù)的確定。根據(jù)廣義Hoek－Brown(2002)［6］提出的巖體破壞經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則:

式中，σ'1——巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力;

σ'3——巖體破壞時(shí)最小主應(yīng)力;mb——巖塊材料參數(shù)mi折減值;

σci——完整巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度;

s，α——巖體材料參數(shù)。

巖體的mb、s和α可由Bieniawski的巖體分類RMR值和以上計(jì)算的mi值來確定。式中，D——應(yīng)力釋放對(duì)巖體擾動(dòng)程度的系數(shù);

GSI—地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)。

根據(jù)巖體的mb、s和α值，應(yīng)用下列公式估算受礦山采動(dòng)影響下巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度:

根據(jù)Hoek－Brown準(zhǔn)則估計(jì)巖體磨擦角φ和內(nèi)聚力c:

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，取GSI=90，根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，采用Roclab軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖7，選取的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 礦巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

圖7 石膏力學(xué)參數(shù)計(jì)算分析

4 礦柱穩(wěn)定性分析

4．1 安全系數(shù)的確定

(1)礦柱載荷計(jì)算。根據(jù)我國(guó)大多數(shù)石膏礦的生產(chǎn)實(shí)踐，一般應(yīng)留設(shè)條形礦柱。根據(jù)Bieniawski的面積承載理論，計(jì)算條帶式礦柱的平均應(yīng)力:

式中:γ——巖石容重;

z——埋藏深度;

Wo，Wp——分別為礦房和礦柱的寬度。

(2)礦柱強(qiáng)度計(jì)算。Bieniawski與Van Heerden通過對(duì)南非Witbank煤柱試件的大規(guī)模原位測(cè)試求出的煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

式中:Sp——礦柱的強(qiáng)度，MPa;

SL——礦柱平均抗壓強(qiáng)度，MPa;

Wp——礦柱的寬度，m;

h——礦柱的高度，m;

α——常數(shù)。

取開采深度為130 m，通過上述公式進(jìn)行計(jì)算，得出安全系數(shù)為 1．5 ～2．0。

4．2 礦柱穩(wěn)定性分析

該礦的采場(chǎng)尺寸為:條形礦柱寬度為6～8 m，礦房跨度8～10 m，礦房高度8～10 m。本次穩(wěn)定性計(jì)算采用反分析方法。根據(jù)Bieniawski推薦的煤柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式及礦柱載荷計(jì)算公式(17)計(jì)算礦柱結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

目前的開采深度為130 m左右，條形礦柱寬度6 m，礦房跨度10 m，礦房高度10 m，礦柱的安全系數(shù)為:

所得安全系數(shù)＞1．5，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求。

采用同樣的計(jì)算分析方法，當(dāng)開采深度為160 m時(shí)，推薦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:條形礦柱寬度≥8 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m，礦柱的安全系數(shù)為1．6。當(dāng)開采深度為190 m時(shí)，推薦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:條形礦柱寬度≥10 m，礦房跨度≤10 m，礦房高度≤10 m，礦柱的安全系數(shù)為1．64。

5 結(jié)論

通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用Hoek－Brown準(zhǔn)則及Roclab軟件得出石膏礦巖體的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)Bieniawski的面積承載理論和強(qiáng)度計(jì)算公式，采用反分析法對(duì)礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性現(xiàn)狀分析。該石膏礦目前的開采深度為130 m，條形礦柱寬度為6～8 m，礦房跨度8～10 m，礦房高度8～10 m，穩(wěn)定性分析表明，目前礦柱的安全系數(shù)大于1．5，能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求。整個(gè)分析過程簡(jiǎn)單可靠，可以為石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析提供參考。

［1］ 李 明，鄭懷昌，王洛強(qiáng)．厚大石膏礦體回采工藝研究與設(shè)計(jì)［J］．非金屬礦，2007，30(5):51 －53．

［2］ 李 明，鄭懷昌，劉志河，等．石膏長(zhǎng)期強(qiáng)度對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響分析［J］．化工礦物與加工，2010，(2):21 －23．

［3］ 廖汶景．石膏礦采空區(qū)積水對(duì)礦柱穩(wěn)定性的影響分析［J］．采礦技術(shù)，2009，9(3):52 －53．

［4］ 王宏巖．遼陽(yáng)石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析［D］．阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008．

［5］ 柴 煒，饒運(yùn)章，黃奔文．地下大面積采空區(qū)失穩(wěn)研究［J］．中國(guó)礦山工程，2008，37(3):27 －30．

［6］ 黃高峰．Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在巖體工程中的應(yīng)用研究［D］．楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008．

2010－06－29)

彭 斌(1983－)，男，湖南株洲人，碩士，主要從事巖石力學(xué)和礦井通風(fēng)研究工作。