晉寧磷礦地下開采相似模擬試驗(yàn)研究

董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心, 云南昆明 650600)

晉寧磷礦地下開采相似模擬試驗(yàn)研究

董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心, 云南昆明 650600)

以晉寧磷礦6號(hào)坑為研究對(duì)象,采用相似模擬試驗(yàn)方法,對(duì)緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉(zhuǎn)地下充填法開采后的采場變形規(guī)律、破壞方式和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明:在地下開采過程中,采空區(qū)上方邊坡的穩(wěn)定性會(huì)隨著開采的推進(jìn)而逐漸降低,當(dāng)開采至邊坡坡腳附近時(shí),邊坡的位移和應(yīng)力變化比較劇烈,邊坡的穩(wěn)定性下降也相對(duì)較大。因此,在地下開采過程中,加強(qiáng)采空區(qū)上方邊坡的監(jiān)測對(duì)于邊坡的穩(wěn)定和地下采場的安全具有重要意義。

相似模擬試驗(yàn);露天轉(zhuǎn)地下開采;充填采礦法;邊坡穩(wěn)定性

0 引 言

緩傾斜薄至中厚礦體的地下開采,在國內(nèi)外一直是一個(gè)難題。當(dāng)?shù)V床頂?shù)装鍢O不平整、礦巖破碎松軟時(shí),開采難度更大。國內(nèi)許多學(xué)者應(yīng)用不同的方法對(duì)充填開采時(shí)邊坡及圍巖穩(wěn)定性做了深入研究[1-2]。研究表表明,充填體有效改善了采空區(qū)的應(yīng)力條件,降低了應(yīng)力集中程度,對(duì)圍巖、頂板的支護(hù)效果十分明顯。尹光志,陳沖等[3-9]對(duì)地下開采邊坡和圍巖變化情況作了模擬試驗(yàn)研究及分析,發(fā)現(xiàn)頂板圍巖變形從外到內(nèi)表現(xiàn)為:外部沿層面滑動(dòng),中部沿層面向下移動(dòng),內(nèi)部向采空區(qū)彎曲;從上到下表現(xiàn)為:上部沿層面滑動(dòng),中部沿層面向采空區(qū)彎曲,下部豎直向下滑動(dòng)。李小雙,蔡彬亭等[10-11]對(duì)云磷集團(tuán)磷礦體做了相似材料配比試驗(yàn)研究,研究表明,以砂子、石膏和碳酸鈣作為基礎(chǔ)骨料,以塑料、軟膠、機(jī)油、鋸末粉作為調(diào)劑材料,以自來水作為調(diào)解溶液混合制作而成的相似模型材料,可以較好地模擬磷礦體。王云飛,江君等[12-15]針對(duì)地下開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響做了研究和分析,指出圍巖破壞程度隨著開采深度的增加遞增,塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大,剪切破壞主要集中在兩側(cè)邊坡的坡腳部位。

本文針對(duì)晉寧磷礦緩傾斜薄至中厚礦體,以6號(hào)坑(122－138＃)勘探線為研究對(duì)象,采用相似模擬試驗(yàn)方法,對(duì)緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉(zhuǎn)地下充填采礦法開采后的采場變形規(guī)律、破壞方式和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。通過試驗(yàn)研究,分析了采場頂?shù)装鍛?yīng)力和采空區(qū)上方邊坡位移變化情況,為工程建設(shè)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(1)試驗(yàn)對(duì)象區(qū)域選擇。選取晉寧磷礦134號(hào)勘探線中重點(diǎn)研究的640m×400m區(qū)域作為本次試驗(yàn)的原型(見圖1)。

圖1 晉寧磷礦6號(hào)坑134號(hào)剖面簡圖

(2)模型選擇。露天轉(zhuǎn)地下開釆是一個(gè)較為復(fù)雜的力學(xué)行為,若采用三維模型系統(tǒng)進(jìn)行研究,則不利于應(yīng)力及變形的觀測且制作較復(fù)雜。采用二維模型則可以直觀的研究特定斷面的應(yīng)力與變形特征,且制作較為簡單,并且地下開采在二維上是一個(gè)平面應(yīng)變模型,如若采用平面應(yīng)力進(jìn)行測試,則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變不具有相似性的結(jié)果,對(duì)實(shí)際開采的指導(dǎo)意義不大,因此,本試驗(yàn)采用平面應(yīng)變相似模擬試驗(yàn)。

(3)相似材料選擇。依據(jù)實(shí)際地層巖體條件,巖體質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí),巖體質(zhì)量定性特征為:較堅(jiān)硬,巖體破碎。根據(jù)巖體質(zhì)量,試驗(yàn)選擇相似材料為重晶石粉、砂、洗衣液、石膏、水。

1.2 開采方案

結(jié)合晉寧磷礦6號(hào)坑深部礦體實(shí)際的地質(zhì)采礦條件,根據(jù)開采對(duì)象及礦體開采技術(shù)條件,礦層頂板部分存在風(fēng)化,穩(wěn)固性較低,由于地表不允許崩落,同時(shí),前期露天開采地表存在大量剝離廢石,在不影響安全的前提下,設(shè)計(jì)采用廢石充填可以獲得比較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

設(shè)計(jì)采用上向分層開采廢石充填采礦法進(jìn)行開采。首先回采底部兩個(gè)分層的礦石,分層高度4.3 m,隨后充填一個(gè)分層,形成4.3m高的底部作業(yè)空間,之后回采一個(gè)分層,充填一個(gè)分層,直至中段開采結(jié)束。根據(jù)確定的開采方案,在試驗(yàn)中,由于模型試驗(yàn)尺寸較小,所以進(jìn)行簡化,分5步開采和5步充填(見圖2)。

圖2 試驗(yàn)中的開采方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)試驗(yàn)過程中的監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理主要針對(duì)應(yīng)力規(guī)律、位移規(guī)律以及變形破壞特征進(jìn)行分析。

2.1 位移變化特征

通過數(shù)碼照相與PIV圍巖應(yīng)變場量測技術(shù)和位移傳感器地表位移量測技術(shù),分析5步開采和充填位移變化特征為:

(1)根據(jù)圖3可知,隨著開采的進(jìn)行,右側(cè)邊坡坡頂?shù)呢Q向位移發(fā)生明顯變化。在開采較深的1～3步過程中,右側(cè)邊坡坡頂?shù)奈灰圃鲩L緩慢,而在開采進(jìn)行到靠近地表時(shí),即開采4和開采5步,豎向位移增長較大,第5步開采完畢后位移達(dá)到1.43mm (相當(dāng)于實(shí)際中的0.286m)。左側(cè)邊坡坡頂?shù)呢Q向位移在開采過程中基本不變,受到開采的影響較小。坡腳位置的豎向位移,由于受到右側(cè)邊坡坡體的擠壓作用,位移方向向上,幅度較小。

圖3 左右側(cè)坡頂及坡腳豎向位移歷時(shí)曲線(向下為正)

(2)根據(jù)圖4可知,右側(cè)邊坡隨著開采的進(jìn)行,位移呈逐漸增大趨勢(shì),方向主要是朝著采空區(qū)的方向,呈現(xiàn)出斜下方的位移趨勢(shì)。在靠近采空區(qū)的邊坡位移較大,距離采空區(qū)較遠(yuǎn)的邊坡位移較小;左側(cè)邊坡在開采過程中,邊坡內(nèi)部位移變化較小,可認(rèn)為地下開采對(duì)于左側(cè)邊坡的影響較小。

圖4 右側(cè)及左側(cè)邊坡位移

2.2 應(yīng)力變化特征

通過微型土壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀,記錄模型中的應(yīng)力變化,分析應(yīng)力變化特征:

(1)根據(jù)圖5可知,隨著開采的進(jìn)行,由于采空區(qū)的形成,圍巖由三向狀態(tài)變?yōu)殡p向狀態(tài),使原始應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞,導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布,并趨于新的平衡。采空區(qū)上方巖體的頂板垂向應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),徑向應(yīng)力的變化規(guī)律是先增長再降低。

(2)根據(jù)圖6,對(duì)比頂板應(yīng)力的變化曲線可知,底板由于開采引起的松動(dòng)范圍較頂板小,而且隨著開采工程的擴(kuò)展變化也較頂板小。

圖5 采場頂板應(yīng)力歷時(shí)曲線

圖6 采場底板應(yīng)力歷時(shí)曲線

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析的結(jié)果,受地下開采影響較大的是采空區(qū)上方的邊坡。在開采過程中,采空區(qū)上方邊坡的位移和應(yīng)力均有大幅度的變化,其位移主要方向是朝著采空區(qū)。

(2)地下開采的過程中,采空區(qū)上方邊坡的穩(wěn)定性會(huì)隨著開采的進(jìn)行逐漸降低,當(dāng)開采至邊坡坡腳附近時(shí),邊坡的位移和應(yīng)力變化比較劇烈,邊坡的穩(wěn)定性下降也相對(duì)較大。因此,在地下開采過程中,加強(qiáng)采空區(qū)上方邊坡的監(jiān)測對(duì)于邊坡的穩(wěn)定和地下采場的安全具有重要意義。

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2017-05-15)

董紹斌(1986－),男,云南祥云人,主要從事磷礦高效開采技術(shù)與綜合利用研究,Email:409870499＠qq.com。