板裂狀圍巖下薄礦脈開采穩(wěn)定性相似模擬試驗(yàn)研究*

顏嘉俊，王新民，王曉軍，曾 強(qiáng)，劉 健

(江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

相似材料模擬試驗(yàn)是基于相似原理將礦山原型等比例縮小，是一種可以定性甚至定量地研究巖層變形情況和礦壓規(guī)律的重要方法，因其直觀、靈活、高效等特點(diǎn)在采礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。蘇士龍等[2]利用相似模擬試驗(yàn)方法從可否形成壓力拱的角度對比分析了不同支護(hù)方式對層狀巖體巷道的變形破壞特征及應(yīng)力演化規(guī)律。劉新盤等[3]通過構(gòu)建相似模型，模擬了實(shí)際邊坡開采過程，優(yōu)化了鹿鳴鉬礦露天邊坡結(jié)構(gòu)。相有兵等[4]基于相似模擬試驗(yàn), 得到了在礦房跨度較小時，人工礦柱與原生礦柱在控制巖體頂板變形的規(guī)律上并無差別。關(guān)守安等[5]結(jié)合相似材料模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬手段，對某金礦開采過程中上覆巖層移動及地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，淺部開采對地表沉降影響較大，深部開采對上覆巖層變形的影響較小。陸玉根等[6]通過建立大紅山鐵礦相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停莆樟嗽摰V井下崩落法開采上覆巖層的移動及其地表塌陷規(guī)律。國內(nèi)采用相似模擬試驗(yàn)方法對巖層變形及地表沉陷等規(guī)律的研究大多集中在煤礦領(lǐng)域[7-10]，較少用于地下金屬礦山。本文針對贛南某鎢礦板裂狀薄礦脈上采時圍巖不穩(wěn)固而導(dǎo)致礦體難以回采的問題，利用相似模擬試驗(yàn)方法對比普通留礦法、靜態(tài)留礦法、散體人工礦柱+錨固法3種回采方法，研究上下盤板裂狀圍巖隨開采的變形情況及移動規(guī)律。

1 研究背景

某礦山屬于典型急傾斜薄脈群鎢礦床，目前+417 m以上中段已回采完畢，+367、+317 m中段正在回采，+267 m以下中段正在實(shí)施開拓工程。隨著開采向中深部延伸，礦巖原生應(yīng)力增大，加之上部空區(qū)群的存在，使得開采環(huán)境惡化(體現(xiàn)為礦巖接觸帶巖體板裂化現(xiàn)象嚴(yán)重、礦體節(jié)理發(fā)育以及開采次生應(yīng)力集中而誘發(fā)的礦巖滑跨、冒落等)，導(dǎo)致大量高品位礦體滯留于復(fù)雜的地壓環(huán)境中。普通留礦法在放礦前，礦石充填了采空區(qū)，其可以支撐上下盤；放礦后，上下盤失去礦石支撐，上盤易發(fā)生板裂狀潰曲垮落(見圖1)。以上類型的難采礦體造成+417 m中段以下采場資源回收率下降，而普通留礦法只能局部挑采，礦房的上采高度僅為20 m左右，且開采安全風(fēng)險極大。

圖1 板裂狀潰曲垮落示意圖

2 相似材料模擬試驗(yàn)

2.1 相似常數(shù)計(jì)算

相似材料模型大多是定性模型，通過模型試驗(yàn)判斷原型中可能發(fā)生的現(xiàn)象的本質(zhì)和機(jī)理。在定性模型中，沒有嚴(yán)格要求符合各種相似關(guān)系，只要滿足幾個重要的相似常數(shù)即可[11-12]。在對相似原理和巖體受力變形相似理論研究的基礎(chǔ)上，選取幾何相似常數(shù)，計(jì)算物理相似常數(shù)。

1)幾何相似

研究模型與某原型之間相關(guān)問題時，必須使模型與原型之間成幾何相似，即

lp/lm=Cl，

(1)

式中，p表示原型，m表示模型，Cl為幾何相似常數(shù)，lp為原型幾何尺寸，lm為模型幾何尺寸。

2)物理相似

在相似材料模擬試驗(yàn)中，主要物理量的物理相似常數(shù)可能因所要解決的問題不同而略有差異。一般情況下，主要的物理相似常數(shù)有：

a)容重相似常數(shù)

Cγ=γp/γm，

(2)

式中，γp為原型容重，γm為模型容重。

b)應(yīng)力相似常數(shù)

Cσ=σp/σm=Cl·Cγ，

(3)

式中，σp為原型應(yīng)力，σm為模型應(yīng)力。

c)彈性模量相似常數(shù)

CE=Ep/Em，

(4)

式中，Ep為原型彈性模量，Em為模型彈性模量。

2.2 相似材料配比

基于地下礦山采場實(shí)際的采礦條件，采用ZYDL-YS120/100 巖體平面相似模型試驗(yàn)平臺構(gòu)建模型，試驗(yàn)臺的幾何尺寸為200 cm×30 cm×120 cm(長×寬×高)。對原型與試驗(yàn)臺的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算，最終確定本次相似材料模擬試驗(yàn)的Cl為100，Cγ為1.5，Cσ=Cl·Cγ=150。

模型的制作材料分別為沙漠細(xì)沙、高強(qiáng)度石膏和水。其中細(xì)沙模擬巖體骨料，且細(xì)沙粒徑需小于0.3 mm；高強(qiáng)度乙級石膏粉為膠結(jié)劑；水為塑性影響劑[13-14]。由于相似材料模擬試驗(yàn)更強(qiáng)調(diào)將原型中本質(zhì)性的特征體現(xiàn)出來，所以本次試驗(yàn)對原型進(jìn)行了簡化，主要模擬一種巖性。原巖及相似材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?；谡辉囼?yàn)原理，以沙膏比、水膏比作為正交設(shè)計(jì)的兩個因素，設(shè)計(jì)了20組相似材料配比方案，如表2所示。采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對養(yǎng)護(hù)7 d的相似材料試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見表3。

表1 原巖及相似材料的物理力學(xué)參數(shù)

表2 相似材料配比方案

表3 7 d單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

通過分析表3，最終確定了符合強(qiáng)度相似比的材料配比——ω(沙子)∶ω(石膏)∶ω(水)=5.0∶1.0∶1.2，其7 d單軸抗壓強(qiáng)度為0.67 MPa，彈性模量為0.066 GPa。

2.3 相似材料模型

本次相似模型模擬試驗(yàn)以該礦山試驗(yàn)采場的采礦條件為背景設(shè)計(jì)模型，試驗(yàn)采場沿礦體走向布置，采場高40 m，長30 m，采幅1.2 m。根據(jù)相似模擬試驗(yàn)研究目的，結(jié)合上文得到的相似比，為了對比研究有無礦柱及錨桿支護(hù)釆場上下盤圍巖的位移變化規(guī)律，本次模擬在同一模型試驗(yàn)臺同時設(shè)計(jì)了3個模型：模型1(普通留礦法)、模型2(靜態(tài)留礦法+錨桿支護(hù))、模型3(散體人工礦柱+傾向錨桿支護(hù))。模型示意圖如圖2所示。

圖2 模型示意圖

按照前文得到的配比分別稱量沙、石膏、水分，然后人工充分?jǐn)嚢栊纬苫旌狭?，并將其迅速倒入?？蛑小榱耸瓜嗨撇牧夏M試驗(yàn)更加準(zhǔn)確可靠，每澆注一層就沿巖體傾向方向隨機(jī)插上一些云母片，以模擬巖層的板裂狀結(jié)構(gòu)；并用搗錘壓實(shí)，使?jié)沧⒉牧媳M量混合均勻、不留孔隙。觀察澆筑后的模型，待相似材料達(dá)到初凝強(qiáng)度后，拆去模板，在自然室內(nèi)條件下養(yǎng)護(hù)7 d[15]。相似材料模型如圖3所示。

圖3 相似材料模型

在模型開挖之前，在模型監(jiān)測面噴上散斑域以用于后期的監(jiān)測，本次試驗(yàn)采用杠桿加載的方式，對3個模型同時施加0.1 MPa的壓應(yīng)力，模型水平應(yīng)力為水平方向約束產(chǎn)生的支反力。模型自下而上分階段開挖，共上采8個階段，每次上采5 cm；采用DIC二維數(shù)字散斑測量與分析系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測3個模型表面圍巖的移動，以分析不同開采時段下圍巖的變形破壞特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用DIC二維數(shù)字散斑測量軟件輸出3個模型完成上采8個階段的位移量云圖(見圖4)。分別在3個模型上采的一、四、六階段選取相應(yīng)位置的測點(diǎn)，繪制各測點(diǎn)各開采階段的垂直位移量變化曲線，如圖5所示。

圖4 各模型開采八階段垂直位移云圖

(a)模型1

(b)模型2

(c)模型3

由圖4可知：模型1在無任何支護(hù)的情況下受開采擾動的影響極大，在上采的一、二階段，模型垂直位移量迅速增加，最大位移量為0.5 mm左右；隨著上采的不斷進(jìn)行，位移量逐漸增大，且在開挖過程中，用云母片模擬的弱勢結(jié)構(gòu)面有脫落現(xiàn)象，模型的最終位移峰值達(dá)1.1 mm。模型2在有錨桿支護(hù)的情況下各階段位移量較模型1小，但總體變化趨勢一樣。在開采的前3個階段，模型的位移量變化較小，位移量僅為0.2 mm左右；其原因可能是上采3個階段，采空區(qū)暴露面積較小，錨桿支護(hù)起到了一定作用。當(dāng)開采高度增加時，采空區(qū)暴露面積增大，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，錨桿支護(hù)作用逐漸減弱。模型3的圍巖位移量變化趨勢整體較為平穩(wěn)，沒有隨著上采高度的增加而增大。礦柱對圍巖開采的支撐效果明顯，位移峰值僅為0.45 mm左右。模型中挖掉的部分形狀保持較好，說明在模型開挖過程中，開采擾動對采空區(qū)的影響較小，圍巖未發(fā)生滑落。

由圖5可知：模型1各測點(diǎn)在礦體開挖過程中，位移量變化較大，且最大位移變化量達(dá)0.85 mm；模型2的各測點(diǎn)相較于模型1，位移量變化趨勢較緩，最大位移變化量僅為0.8 mm；模型3底部1號測點(diǎn)的垂直位移量基本無變化，隨著上采不斷推進(jìn)，2、3號測點(diǎn)的位移變化量僅為0.25 mm。由此表明，礦柱對控制板裂狀圍巖穩(wěn)定性的效果是明顯的，錨桿對圍巖的支護(hù)略有作用。

3個模型的頂板、上盤和下盤圍巖的垂直位移量變化曲線如圖6所示。由圖6可知：模型3的頂板、上盤和下盤位移量均遠(yuǎn)小于模型1和模型2，可見礦柱+錨桿支護(hù)對板裂狀圍巖穩(wěn)定性的控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通留礦法；同時，模型2在前4個上采階段，上下盤及頂板的位移量均明顯小于模型1，可知錨桿的支護(hù)對控制圍巖的穩(wěn)定發(fā)揮了作用，然而隨著上采高度的不斷增加，采場出現(xiàn)應(yīng)力集中，錨桿失去了作用。由于本模型的幾何相似比為1∶100，所以在圖中模型1頂板的位移量為1.1 mm左右，在實(shí)際中就相當(dāng)于圍巖移動了11 cm，這就很有可能導(dǎo)致地壓災(zāi)害的發(fā)生。

(a)頂板

(b)上盤

(c)下盤

4 結(jié)論

基于正交試驗(yàn)原理，進(jìn)行了相似材料配比試驗(yàn)，得到如下主要結(jié)論：

a.散體人工礦柱+錨固留礦法通過利用人工礦柱減小了回采跨度，提高了采場穩(wěn)定性，并沿傾向布置了多層錨桿支撐上下盤圍巖，在不損失礦量的前提下提高了回采的安全性。

b.對比3個模型的頂板、上盤和下盤圍巖的垂直位移量，可以非常直觀地看出模型3的頂板、上盤及下盤的位移量均遠(yuǎn)小于模型1和模型2，由此表明礦柱+錨桿支護(hù)對板裂狀圍巖穩(wěn)定性的控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通留礦法。

c.模型2在上采的前幾個階段，錨桿支護(hù)對控制圍巖穩(wěn)定是有效的；隨著上采高度的增加，采場出現(xiàn)應(yīng)力集中，錨桿便逐漸失去了作用，因此僅對圍巖進(jìn)行錨固支護(hù)不足以改善地壓環(huán)境。