預(yù)留原生礦柱對(duì)片理狀巖體采場(chǎng)穩(wěn)定性影響試驗(yàn)研究

王曉軍,馮 蕭,鐘春暉

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.江西理工大學(xué),江西贛州341000)

在金屬礦床回采過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊類(lèi)型的巖體影響采場(chǎng)的安全回采,其中,片理狀巖體對(duì)礦體的安全回采形成了一定的威脅,諸如淺變質(zhì)絹云母千枚巖、砂質(zhì)千枚巖等[1-3]。該種巖體片理發(fā)育,其產(chǎn)狀一旦與礦體一致,在極傾斜礦體回采過(guò)程中極易產(chǎn)生采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的片幫、冒頂,造成二次貧化,甚至出現(xiàn)整個(gè)采場(chǎng)的失穩(wěn)。針對(duì)這一問(wèn)題多數(shù)礦山采用了木支護(hù)、錨桿支護(hù)甚至長(zhǎng)錨索支護(hù)等常規(guī)支護(hù)手段[4-5]。這些支護(hù)手段對(duì)局部片理狀巖體的片幫、冒落起到了積極的作用,但隨著上采高度的增加,采場(chǎng)的中上部上盤(pán)圍巖依然會(huì)出現(xiàn)較大面積的整體垮落,如果大面積使用支護(hù)措施必然會(huì)增加支護(hù)費(fèi)用,提高回采成本。因此,研究低成本、高效果的支護(hù)手段對(duì)片理狀巖體礦山采場(chǎng)的安全回采意義重大。

通過(guò)對(duì)類(lèi)似巖體結(jié)構(gòu)礦山采場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,并對(duì)比分析各種支護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn),本文提出了針對(duì)片理狀巖體急傾斜礦脈回采過(guò)程中在上下盤(pán)圍巖之間預(yù)留原生礦柱的方法支護(hù)上盤(pán)圍巖,從而降低支護(hù)成本,保證回采安全。

1 預(yù)留礦柱試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了確定預(yù)留原生礦柱的高度、規(guī)格與分布形式,本文以某鉛鋅礦無(wú)底柱留礦法采場(chǎng)為工程實(shí)例進(jìn)行了相似模擬、數(shù)值計(jì)算等專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析比較,確定了采場(chǎng)中所預(yù)留礦柱的規(guī)格與尺寸。

1.1 相似模擬

利用相似原理,采用模型試驗(yàn)?zāi)M片理狀巖體采場(chǎng)的回采過(guò)程[6-7]。模型材料選用河砂、水泥、石膏的混合物,為了模擬片理狀巖體,選用云母片作為片理材料。根據(jù)相似模擬的經(jīng)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)容重相似常數(shù)取1,幾何相似比取1∶50,經(jīng)計(jì)算得應(yīng)力相似比為50∶1,相似模擬材料的力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。由于彈性力學(xué)的平面應(yīng)力與平面應(yīng)變中應(yīng)力求解方程一致。因此,用平面應(yīng)力模型來(lái)模擬實(shí)際處于平面應(yīng)變的巖層。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩組平面應(yīng)力模型進(jìn)行模擬,其中第一組為不預(yù)留礦柱直接回采,第二組預(yù)計(jì)在第一組上采過(guò)程中發(fā)生大面積垮落的適當(dāng)高度預(yù)留礦柱,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

表1 相似模型材料力學(xué)性質(zhì)

圖1 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)采用杠桿加載來(lái)模擬采場(chǎng)上覆巖層的壓力,邊界條件取開(kāi)挖空間的5倍,在模型開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)模擬開(kāi)挖的巖體進(jìn)行應(yīng)變、位移、聲波連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析主要發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

1)1#模型隨著上采高度的增加,各應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值呈增加趨勢(shì),其中水平方向應(yīng)變?cè)黾语@著,當(dāng)回采斜長(zhǎng)達(dá)到90cm(相當(dāng)于原型回采高度38.5m)時(shí),水平方向應(yīng)變開(kāi)始急劇增加,很快上盤(pán)巖體出現(xiàn)嚴(yán)重垮落,將回采空間擠死。對(duì)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)在礦體回采至斜長(zhǎng)60cm(相當(dāng)于原型回采高度25.7m)的位置時(shí),1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化不大,表明礦體上下盤(pán)都比較穩(wěn)定。但隨著回采工作的繼續(xù)推進(jìn),這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量迅速增大,說(shuō)明當(dāng)回采到斜長(zhǎng)60cm時(shí),礦體圍巖開(kāi)始處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)波速三個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)也發(fā)現(xiàn)模型開(kāi)挖后巖體縱波波速逐漸增高,回采至斜長(zhǎng)90cm(相當(dāng)于原型回采高度38.5m)時(shí),波速迅速降低。通過(guò)分析可知回采斜長(zhǎng)90cm(相當(dāng)于原型回采高度38.5m)處為上盤(pán)圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵部位,從位移分析上可以判別當(dāng)模型回采高度到60cm(原型回采高度25.7m)處為巖體位移的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2)模型Ⅱ根據(jù)模型Ⅰ開(kāi)挖的分析結(jié)果將上下盤(pán)之間的礦柱預(yù)留在回采斜長(zhǎng)65cm(原型回采高度28m)處,開(kāi)挖結(jié)果顯示該模型采場(chǎng)完成了整個(gè)回采高度 (相當(dāng)于原型回采高度45m?；夭蛇^(guò)程同樣采用三種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)與模型Ⅰ對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)上盤(pán)圍巖應(yīng)變?cè)诨夭芍列遍L(zhǎng)45cm(相當(dāng)于原型回采高度20.3m)拉伸應(yīng)變達(dá)到最大值,之后逐漸降低,位移監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)回采到中上部以后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平方向位移明顯小于模型Ⅰ。聲波監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程巖體縱波速度變化比較平穩(wěn),說(shuō)明回采過(guò)程中通過(guò)在上下盤(pán)圍巖間關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)留礦柱,使圍巖自身的穩(wěn)定性有了明顯的改善,最終增加了回采的高度,維護(hù)了采場(chǎng)的穩(wěn)定系。

3)此次相似模擬試驗(yàn)由于模擬試驗(yàn)臺(tái)的限制,采用了平面應(yīng)力模型進(jìn)行模擬,對(duì)片理狀巖體采場(chǎng)的長(zhǎng)度方向無(wú)法實(shí)施全方位的模擬,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)采空間拉大,沿礦體走向的采場(chǎng)下部局部也會(huì)出現(xiàn)巖體片幫,所以是否在采場(chǎng)的中下部上下盤(pán)之間預(yù)留原生礦柱進(jìn)行支護(hù),以及原生礦柱的數(shù)量與間距等問(wèn)題還有待于進(jìn)行研究。本文利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這幾方面的問(wèn)題。

1.2 數(shù)值模擬

為了更準(zhǔn)確確定采場(chǎng)預(yù)留礦柱的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù),在相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析基礎(chǔ)之上,利用三維有限元數(shù)值模擬軟件3D-σ片理狀巖體采場(chǎng)回采進(jìn)行數(shù)值模擬[8-10],此次模擬實(shí)驗(yàn)主要建立兩種數(shù)值模型,一種為未預(yù)留原生礦柱的采場(chǎng)回采,第二種模型是在第一種模型模擬結(jié)果分析的基礎(chǔ)之上,通過(guò)在回采過(guò)程中適當(dāng)部位預(yù)留預(yù)留原生礦柱的回采模型。數(shù)值模擬中巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)表

模型根據(jù)礦體賦存的條件及特點(diǎn),從上至下分為-60m、-105m、-150m、-195m、-240m五個(gè)中段建立三維有限元幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬,模型共記34000多個(gè)節(jié)點(diǎn)、7000多個(gè)單元,沿礦體走向和垂直礦體走向分別取600m,中段高45m,礦體傾角取平均值70°,沿礦體走向采場(chǎng)長(zhǎng)度取65m,頂柱厚度取4m,間柱5m,采幅取平均值2m,裝礦進(jìn)路長(zhǎng)度取 6m,進(jìn)路規(guī)格 2.2m×2.5m,進(jìn)路間距為6.2m。具體模型見(jiàn)圖2、圖3。

通過(guò)兩種模型數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,來(lái)判斷預(yù)留原生礦柱對(duì)片理狀巖體采場(chǎng)穩(wěn)定性所發(fā)揮的作用,其中,圖4、圖5為兩種模型采場(chǎng)回采上盤(pán)圍巖最大主應(yīng)力等色圖,圖6、圖7為最大主應(yīng)力等值線圖,圖8、圖9為兩種模型采場(chǎng)回采上盤(pán)圍巖位移等值線圖。

圖2 模型Ⅰ數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)

圖3 模型Ⅱ數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)圖

圖4 模型Ⅰ最大主應(yīng)力等色圖

圖5 模型Ⅱ最大主應(yīng)力等色圖

圖6 模型Ⅰ最大主應(yīng)力等直線圖

圖7 模型Ⅱ最大主應(yīng)力等直線圖

圖8 模型Ⅰ位移等值線圖

圖9 模型Ⅱ位移等值線圖

通過(guò)對(duì)兩種不同模型數(shù)值模擬的最大主應(yīng)力及位移結(jié)果對(duì)比分析得到以下幾點(diǎn):

1)從模型Ⅰ的模擬結(jié)果可以看出,在原來(lái)采場(chǎng)不預(yù)留點(diǎn)柱的情況下,采場(chǎng)上盤(pán)頂板圍巖下部最大主應(yīng)力仍為壓應(yīng)力,隨著上采的高度增加,壓應(yīng)力逐漸減小,當(dāng)上采至15m左右時(shí),壓應(yīng)力顯著減小。說(shuō)明拉應(yīng)力顯著增加,在上采到30m至35m部位時(shí)出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)域 (圖4),通過(guò)圖6可知,此處拉應(yīng)力的數(shù)值為0.32M Pa,雖然拉應(yīng)力數(shù)值比較小,但頂板靠近臨空面,在這種拉應(yīng)力作用下,將導(dǎo)致上盤(pán)頂板片理狀巖體的片理折斷,尤其是這種片理狀構(gòu)造和其他結(jié)構(gòu)面組合作用時(shí),使頂板冒落成為必然。此外,由模型Ⅰ的位移等值線圖可以看出,未預(yù)留礦柱時(shí),在上采高度達(dá)到30～35m處,上盤(pán)圍巖的位移量在20mm以上,最大值達(dá)到為24mm。由此可見(jiàn),對(duì)于這種片理狀巖體結(jié)構(gòu)的采場(chǎng),當(dāng)上采高度達(dá)到15m以上,應(yīng)力、位移都開(kāi)始顯著變化,在30～35m區(qū)域應(yīng)力與位移達(dá)到峰值,從而引發(fā)上盤(pán)巖體垮落。

2)模型Ⅱ針對(duì)模型Ⅰ的模擬結(jié)果在上采高度15m處與30m處預(yù)留原生礦柱,為避免下部巖體由于過(guò)早揭露引發(fā)的頻繁擾動(dòng),在15m處沿采場(chǎng)走向預(yù)留原生礦柱2個(gè),間距為25m(圖3)。對(duì)照數(shù)值模擬結(jié)果可知,預(yù)留了原生礦柱之后,由于礦柱的作用,使頂板應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小并被點(diǎn)柱分割,結(jié)合圖5可以看出在原先30～35m處的拉應(yīng)力區(qū)域已經(jīng)消失,采場(chǎng)頂板仍表現(xiàn)為壓應(yīng)力,點(diǎn)柱也出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中區(qū)域,但數(shù)值較小。此外,由于礦柱的作用,頂板的位移也降至15mm左右 (圖9)。由此可見(jiàn),借助于預(yù)留原生礦柱的作用,可以分割、改變采場(chǎng)中上部應(yīng)力分布區(qū)域,使拉應(yīng)力集中區(qū)域消失,在一定程度上保證了采場(chǎng)上盤(pán)頂板圍巖的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)片理狀巖體采場(chǎng)進(jìn)行相似模擬與數(shù)值模擬聯(lián)合分析得到以下主要結(jié)論。

1)在采場(chǎng)中預(yù)留原生礦柱改變了采場(chǎng)應(yīng)力分布區(qū)域,減少了應(yīng)力局部集中,改善了圍巖自身的穩(wěn)定性,提高了上采的高度,解決了礦山的實(shí)際問(wèn)題,也保證了回采的安全性。

2)通過(guò)相似模擬與數(shù)值模擬的精確分析,在既不影響生產(chǎn),又能保證安全的前提下,找到了預(yù)留原生礦柱的合理參數(shù)與最佳位置,即在采場(chǎng)中下部15m處預(yù)留原生礦柱兩個(gè),在中上部28m處預(yù)留原生礦柱1個(gè),礦柱的高度為4m,寬度為4m,礦柱的截面形狀為上部尖的五邊形。

[1] 朱維申,李術(shù)才,陳衛(wèi)忠.節(jié)理巖體破壞機(jī)制和錨固效應(yīng)及工程應(yīng)用 [M].北京:科學(xué)出版社,2002:26-98.

[2] 李術(shù)才,王剛,王書(shū),等.加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷模型在硐室開(kāi)挖與支護(hù)中的應(yīng)用 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(8):1582-1590.

[3] 徐從武,趙奎,謝道輝.片理巖體巷道合理布置數(shù)值模擬研究 [J].江西有色金屬,2008,22(3):6-8.

[4] 馬華天.烏鞘嶺隧道深埋軟弱千枚巖變形控制施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2006(S1):320-322.

[5] 王貴君.節(jié)理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程力學(xué)狀態(tài) [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(8):1328-1334.

[6] 李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗(yàn) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1987.

[7] ZHU Yue-ming,PAN Yi-shan,SUN Ke-ming.Physical modeling experiment of extraction of p rotective seam in dipslopping coal seam s[J].Journal of Liaoning Technical U-niversity,2003,22(2):205–207.

[8] 秦艷華,王曉軍,鐘春暉,等.礦柱回采對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬研究 [J].銅業(yè)工程,2007(3):8-10.

[9] 張嬌,姜諳男,易南概,等.東坪金礦采空區(qū)開(kāi)挖過(guò)程的三維有限元數(shù)值模擬 [J].中國(guó)礦業(yè),2006,15(11):81-84.

[10] 趙奎.殘留礦柱回采與空區(qū)穩(wěn)定性的有限元模擬研究 [J].采礦技術(shù),2002,2(2):51-53.