胡 超 丁成功 金長(zhǎng)宇 東龍賓 陳五九
(1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.中冶北方工程技術(shù)有限公司,遼寧 大連 116600;4.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司,安徽 六安 237484)
隨著國(guó)家對(duì)礦山開(kāi)采造成的地表塌陷、土地占用等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越重視,空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法逐漸成為金屬礦床地下開(kāi)采的重要選擇[1-4]。為了增加礦石產(chǎn)量降低礦石回采成本,空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ碾A段高度呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì),同時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定作為地下礦床開(kāi)采的前提條件,又在一定程度上限制了采場(chǎng)階段高度的提升。采場(chǎng)穩(wěn)定性涉及的影響因素眾多,使得采場(chǎng)穩(wěn)定性分析存在極大困難。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用相似材料試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等[5-9]方法,對(duì)地下采場(chǎng)礦柱圍巖的應(yīng)力變形及破壞規(guī)律進(jìn)行研究。杜翠鳳等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔監(jiān)測(cè)與相似材料試驗(yàn)相結(jié)合的方法,得到了無(wú)底柱分段崩落法在開(kāi)采過(guò)程中頂板圍巖的變形規(guī)律;宋衛(wèi)東等[11]、徐文彬等[12]采用數(shù)值模擬方法研究了階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)圍巖的破壞規(guī)律和采空區(qū)破壞機(jī)理;吳迪等[13]、李剛等[14]采用相似材料試驗(yàn)方法研究了階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)頂板和間柱的變形規(guī)律;徐偉蘭等[15]采用數(shù)值模擬方法對(duì)大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;吳亞斌等[16]、吳振坤等[17]通過(guò)數(shù)值模擬研究了礦房回采充填順序?qū)Σ蓤?chǎng)穩(wěn)定性的影響;張海波等[18]、王龍等[19]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)在不同礦柱間距情況下礦巖應(yīng)力和位移變化規(guī)律。以上學(xué)者采用相似材料試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法對(duì)不同礦山進(jìn)行了研究,實(shí)踐證明以上方法均能為礦山安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。目前,對(duì)于急傾斜厚大礦體大尺寸階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_(kāi)采使用數(shù)值模擬方法較多,在采場(chǎng)穩(wěn)定性方面很少使用相似材料試驗(yàn)這種直觀的研究方法。礦山開(kāi)采環(huán)境各異,任何方法在面對(duì)不同礦山時(shí)均可能有不足之處,理論分析簡(jiǎn)單易行,但對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)因素的討論過(guò)于理想化,理論模型過(guò)度簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致較大誤差;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)具有真實(shí)可靠的優(yōu)點(diǎn),但監(jiān)測(cè)工作量大、周期長(zhǎng)、成本高;數(shù)值模擬具有豐富的本構(gòu)模型,能夠求解各種復(fù)雜地質(zhì)條件中的工程問(wèn)題,在工程穩(wěn)定性的判斷界線上不夠清楚;相似材料試驗(yàn)將實(shí)際工程縮小到模型中,對(duì)模型按照實(shí)際工程方案進(jìn)行模擬,能夠直觀反映采場(chǎng)應(yīng)力、變形規(guī)律[20],但相似材料試驗(yàn)的定量描述不夠精確。因此,本研究采用相似材料試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)急傾斜厚大礦體礦房階段高度提升后新中段采場(chǎng)內(nèi)礦柱和圍巖的應(yīng)力、變形變化規(guī)律進(jìn)行研究,通過(guò)模型直觀判斷采場(chǎng)破壞情況和穩(wěn)定性,結(jié)合應(yīng)力監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè),研究頂板變形規(guī)律、礦柱破壞位置和破壞模式,采用數(shù)值模擬方法分析礦柱寬度和礦房回采充填順序?qū)Σ蓤?chǎng)應(yīng)力及變形規(guī)律的影響。
礦區(qū)位于霍邱縣城西北31 km,地處周集鎮(zhèn)和馮井鎮(zhèn)之間,北距淮河10 km、阜陽(yáng)45 km。礦區(qū)東側(cè)為G105國(guó)道,西側(cè)有濟(jì)廣高速和阜陽(yáng)—六安鐵路,向南與312國(guó)道、寧西鐵路相連,可至六安、合肥、南京等地,交通十分方便。礦床類(lèi)型為大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床,礦體埋藏在146~196 m厚的第四系覆蓋層之下,屬隱伏礦床。第四系之下為基巖古風(fēng)化帶,厚度為20~70 m,一般為40 m左右,接近古風(fēng)化帶礦石為氧化礦,氧化礦帶厚度為28~61 m。氧化帶以下為原生磁鐵礦體,主要為石英磁鐵礦,礦體較堅(jiān)硬、完整。礦體頂板主要為黑云片巖,巖石堅(jiān)硬,整體性好,底板主要為角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖,頂?shù)装宸€(wěn)固性中等。礦體走向長(zhǎng)2 300 m,分布在2~24號(hào)勘探線之間,最大埋深近700 m,傾角30°~70°,自西向東由I、II、III號(hào)礦體組成。
目前-450 m中段的回采工作已經(jīng)接近尾聲,需要對(duì)新中段進(jìn)行開(kāi)拓,擬將-390 m中段的階段礦房高度從上中段的60 m提升至90 m,階段礦房高度在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了50%,采場(chǎng)應(yīng)力變形規(guī)律及穩(wěn)定性有待研究。
相似材料實(shí)質(zhì)是將工程按照一定比例縮小制作成模型,并有相似理論作為基礎(chǔ),模型與原型之間相同量綱參數(shù)具有相同相似比,無(wú)量綱參數(shù)相似比為1,保證了模型和原型之間的相似性。幾何相似比CL、容重相似比Cγ、摩擦系數(shù)相似比Cf、內(nèi)摩擦角相似比Cφ、泊松比相似比Cμ、應(yīng)變相似比Cε、彈性模量相似比CE、應(yīng)力相似比Cσ之間滿(mǎn)足如下關(guān)系:
試驗(yàn)選取3個(gè)盤(pán)區(qū)礦房設(shè)計(jì)相似材料試驗(yàn),盤(pán)區(qū)礦房長(zhǎng)100 m,礦柱寬18 m,盤(pán)區(qū)內(nèi)有3個(gè)寬度為15 m的一步膠結(jié)充填礦房和2個(gè)寬度為18.5 m的二步全尾砂充填礦房,模型長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)工程長(zhǎng)為480 m;豎直方向上為標(biāo)高在-460~-240 m之間的區(qū)域,包含-450 m中段正在回采階段高度為60 m的采區(qū)和-390 m擬采中段階段高度為90 m的采區(qū),總高220 m。試驗(yàn)臺(tái)尺寸為2 400 mm×300 mm×1 100 mm,根據(jù)相似原理,確定幾何相似常數(shù)CL=1∶200,容重相似常數(shù)Cγ=1∶2,應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=1∶400。
試驗(yàn)為二維平面相似材料試驗(yàn),整個(gè)模型材料主要為礦體、膠結(jié)充填體和尾砂充填體3種材料,選用EPDM橡膠顆粒作為尾砂充填體的相似材料,珍珠棉為膠結(jié)充填體的相似材料,河沙、重晶石粉和石蠟為礦體的相似材料成分。根據(jù)相似原理,通過(guò)試驗(yàn),測(cè)試不同配比條件下材料的力學(xué)參數(shù),得到的礦體相似材料配比見(jiàn)表1。
按照河沙∶重晶石粉∶石蠟=8∶2∶1的配比進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)P投呀?,制備過(guò)程如圖1所示。將河沙和重晶石粉加入攪拌機(jī)中進(jìn)行混合預(yù)熱,預(yù)熱完成后倒入融化的石蠟攪拌均勻,將制備好的材料裝填到試驗(yàn)臺(tái)上,在設(shè)計(jì)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置預(yù)埋應(yīng)力傳感器,并壓實(shí)模型。模型養(yǎng)護(hù)完成后拆除擋板,在模型上確定礦體界線,并在模型上粘貼非編碼點(diǎn),在試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置編碼點(diǎn)。
試驗(yàn)采用光學(xué)三維攝影測(cè)量系統(tǒng)和靜態(tài)應(yīng)力采集系統(tǒng)兩種監(jiān)測(cè)方法,對(duì)模型在回采充填過(guò)程中頂板圍巖變形和頂板、礦柱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在模型上布置了變形監(jiān)測(cè)區(qū)域和4個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖2所示。1、2步回采充填為1號(hào)礦房,3、4步回采充填為2號(hào)礦房,5、6步回采充填為3號(hào)礦房,7、8步回采充填為4號(hào)礦房,9、10步回采充填為5號(hào)礦房,11、12步回采充填為6號(hào)礦房。試驗(yàn)中盤(pán)區(qū)礦房回采充填順序與現(xiàn)場(chǎng)施工方案一致,即1~6號(hào)礦房依次回采充填。
因試驗(yàn)臺(tái)尺寸限制,模型頂部對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中埋深H為230 m的位置,礦區(qū)以自重應(yīng)力場(chǎng)為主,物理模型無(wú)法模擬的上部巖層,使用試驗(yàn)臺(tái)上方加載系統(tǒng)進(jìn)行加壓等效上覆巖層產(chǎn)生的壓應(yīng)力,模型兩側(cè)采用位移限制條件,磁鐵礦平均密度ρ為3 598.57 kg/m3,應(yīng)力相似比C為400,試驗(yàn)機(jī)加載壓頭面積S為0.18 m2,通過(guò)公式(3)、(4)計(jì)算可得到每個(gè)加載壓頭的等效壓力。
式中,σ′為模型加載應(yīng)力,MPa;F為每個(gè)加載壓頭的加載力,N。
試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)模型加載,所有壓頭加載至3.725 kN保持穩(wěn)定,使用位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄原始場(chǎng),開(kāi)啟應(yīng)力采集儀采集應(yīng)力數(shù)據(jù),然后對(duì)模型進(jìn)行回采充填試驗(yàn),加載保持穩(wěn)定直至試驗(yàn)結(jié)束后卸載。
圖3(a)和圖3(b)分別為一步膠結(jié)充填和二步全尾砂充填過(guò)程,礦房?jī)?nèi)3個(gè)一步膠結(jié)充填礦房同時(shí)開(kāi)挖,形成的空區(qū)一次充填完成,膠結(jié)充填完成后對(duì)礦房?jī)?nèi)2個(gè)二步尾砂充填礦房進(jìn)行回采,開(kāi)挖結(jié)束形成空區(qū)后,使用有機(jī)玻璃板封堵模型兩側(cè),然后進(jìn)行散體充填。
按照?qǐng)D3所示的兩步驟回采充填方案依次對(duì)1~6號(hào)礦房進(jìn)行了回采充填,試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)采集應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并在各中段回采充填結(jié)束后對(duì)位移場(chǎng)進(jìn)行了記錄。-450 m中段回采充填完成和-390 m中段回采充填完成后的試驗(yàn)結(jié)果,如圖4所示。分析可知:-450 m中段回采充填完成后盤(pán)區(qū)礦柱完整無(wú)明顯破壞現(xiàn)象,采場(chǎng)穩(wěn)定性良好。-390 m中段在5號(hào)礦房的回采充填過(guò)程中,左礦柱在-370 m水平出現(xiàn)開(kāi)裂破壞,在6號(hào)礦房的回采充填過(guò)程中,右礦柱在-380 m水平出現(xiàn)開(kāi)裂破壞,左右礦柱均在礦柱兩側(cè)礦房被回采之后發(fā)生破壞,回采充填完成后礦柱破壞情況如圖5所示。
通過(guò)各中段回采充填完成后的監(jiān)測(cè)位移場(chǎng)與原始場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,可以得到-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后相對(duì)于試驗(yàn)前的變形情況,如圖6所示。分析得到:中間盤(pán)區(qū)礦房頂板沉降量大于兩側(cè)盤(pán)區(qū)礦房頂板沉降量。-450 m中段回采充填完成后,2號(hào)礦房頂板最大沉降量約0.332 mm,1、3號(hào)礦房頂板最大沉降量約0.291 mm,圍巖礦柱變形連續(xù),最大變形出現(xiàn)在中間礦房頂板處,采場(chǎng)穩(wěn)定性良好。-390 m中段回采充填完成后,5號(hào)礦房頂板最大沉降量為1.491 mm,4、6號(hào)礦房頂板最大沉降量約為1.193 mm,礦柱中部出現(xiàn)變形不連續(xù)現(xiàn)象,采場(chǎng)基本保持穩(wěn)定。
使用應(yīng)力采集系統(tǒng)記錄了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨回采充填步驟變化的數(shù)據(jù),得到如圖7所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。分析得到:1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力在前8步回采充填過(guò)程中基本保持穩(wěn)定,在第9步回采充填過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力跌落,導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于5號(hào)礦房的頂板,第9步回采充填發(fā)生在5號(hào)礦房?jī)?nèi),且位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方;2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力在前10步回采充填過(guò)程中基本保持穩(wěn)定,在第11步回采充填過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力跌落,導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于6號(hào)礦房的頂板,第11步回采充填發(fā)生在6號(hào)礦房?jī)?nèi),且位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方。1、2號(hào)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)從試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束應(yīng)力處于先穩(wěn)定再下降后保持穩(wěn)定的趨勢(shì),在-450 m中段回采充填時(shí)1、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于壓力拱內(nèi),隨著-390 m中段回采充填工作的進(jìn)行應(yīng)力拱位置上移,1、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于應(yīng)力拱下方,開(kāi)挖卸荷作用和應(yīng)力重分布導(dǎo)致了1、2號(hào)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力出現(xiàn)下降。4號(hào)礦房?jī)?nèi)的第7步回采充填使得左礦柱被揭露出來(lái),導(dǎo)致了3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力突躍;5號(hào)礦房?jī)?nèi)的第9步回采充填使得右側(cè)礦柱被揭露出來(lái),導(dǎo)致了4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力突躍。3、4號(hào)礦柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)從試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束,礦柱中應(yīng)力處于持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),表明原巖礦柱作為采場(chǎng)主要支承結(jié)構(gòu)并未失穩(wěn),一直發(fā)揮著支承作用。
將沉降量乘以幾何相似比CL,應(yīng)力監(jiān)測(cè)值乘以應(yīng)力相似比Cσ可得到實(shí)際值,表2為各礦房頂板在-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后的實(shí)際變形量,表3為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在-450 m中段和-390 m中段回采充填完成后的實(shí)際應(yīng)力值。在新中段開(kāi)采前后,中間礦房頂板最大沉降量從66 mm增長(zhǎng)為298 mm,在原來(lái)的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了3.5倍;兩側(cè)礦房頂板最大沉降量從49 mm增長(zhǎng)為236 mm,在原來(lái)的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了3.8倍。3、4號(hào)礦柱應(yīng)力從19.4 MPa增長(zhǎng)到32.8 MPa,應(yīng)力水平在原來(lái)的基礎(chǔ)上提升了69%。新中段的回采導(dǎo)致了礦房頂板沉降量和礦柱內(nèi)應(yīng)力集中程度顯著增大,有必要采取相關(guān)措施和技術(shù)減少采場(chǎng)環(huán)境惡化帶來(lái)的危害。
通過(guò)相似材料試驗(yàn)中的應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在-390 m新中段回采充填過(guò)程中,礦柱內(nèi)應(yīng)力集中程度明顯提升,并發(fā)生了破壞現(xiàn)象,礦房頂板是采場(chǎng)內(nèi)變形量最大的部位,但并沒(méi)有發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。因此實(shí)際回采中礦柱是最有可能發(fā)生破壞的部位,為提高礦柱承載能力,增加礦柱寬度是普遍做法。本研究通過(guò)數(shù)值模擬方法研究不同礦柱寬度(表4)和不同回采順序?qū)Σ蓤?chǎng)穩(wěn)定性的影響。
計(jì)算模型如圖8所示,模型中-450 m中段和-390 m中段各5個(gè)盤(pán)區(qū)礦房,計(jì)算采用了與現(xiàn)場(chǎng)一致的順序回采方案,即按照1~10號(hào)礦房依次回采充填,同時(shí)采用了間隔回采方案,即按照1、3、5、2、4、6、8、10、7、9號(hào)礦房的順序回采充填。
對(duì)表4中的3種方案分別進(jìn)行建模計(jì)算,以塑性區(qū)、變形和應(yīng)力為指標(biāo),分析對(duì)比不同方案之間各指標(biāo)的變化趨勢(shì),圖9為不同回采方案與不同回采充填順序的計(jì)算結(jié)果。
分析圖9可知:不同回采方案均在礦柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大值出現(xiàn)在礦柱底部,隨著礦柱寬度增加礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力逐漸減小,順序回采充填與間隔回采充填的最大主應(yīng)力基本一致;不同回采方案的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在兩側(cè)礦房的頂角處,間隔回采充填比順序回采充填形成的最大拉應(yīng)力?。徊煌夭煞桨缸畲蟪两底冃纬霈F(xiàn)在8號(hào)礦房頂板中,兩側(cè)礦房頂板逐漸減小,呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)趨勢(shì),間隔回采充填比順序回采充填的頂板沉降量小;不同回采充填方案的塑性區(qū)主要集中在礦柱中下部和礦房頂板中,隨著礦柱寬度的增加礦柱中的塑性區(qū)范圍逐漸減小,順序回采比間隔回采在礦柱中形成的塑性區(qū)更小。由于礦房?jī)?nèi)礦體的回采充填,采場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破并重新分布,位移和塑性區(qū)隨著回采充填而不斷積累,最大沉降出現(xiàn)在中間礦房頂板,導(dǎo)致中間2、3號(hào)礦柱應(yīng)力集中程度和塑性區(qū)范圍大于兩側(cè)1、4號(hào)礦柱,礦房?jī)?nèi)礦體的回采充填使得采區(qū)上方形成應(yīng)力拱,導(dǎo)致在兩側(cè)6、10號(hào)礦房邊墻頂部形成了剪切破壞區(qū)域。
各方案及不同順序回采情況下采場(chǎng)內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。分析可知:隨著礦柱寬度增加,采場(chǎng)內(nèi)頂板沉降量、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)范圍都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。各方案采場(chǎng)沉降量順序回采比間隔回采大,但相差較小均不超過(guò)10 mm,采場(chǎng)最大拉應(yīng)力值順序回采大于間隔回采,順序回采與間隔回采在礦柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度基本行相同。
通過(guò)相似材料試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性及采場(chǎng)應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行研究,得出了以下結(jié)論:
(1)采用18 m寬礦柱進(jìn)行-390 m中段回采充填時(shí),礦柱會(huì)在-380~-370 m水平發(fā)生剪切破壞,但礦柱并未完全失穩(wěn)且能夠發(fā)揮主要支承作用,采場(chǎng)基本穩(wěn)定。
(2)礦柱是階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)中主要支撐結(jié)構(gòu),在礦體回采過(guò)程中當(dāng)?shù)V柱被揭露時(shí),礦柱內(nèi)應(yīng)力會(huì)明顯增大,隨著礦柱應(yīng)力逐步積累會(huì)出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。
(3)巖石質(zhì)量中等以上的急傾斜厚大礦體在進(jìn)行階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_(kāi)采時(shí),采場(chǎng)礦柱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,最大應(yīng)力出現(xiàn)在礦柱底部;采場(chǎng)最大變形出現(xiàn)在中間盤(pán)區(qū)礦房頂板,兩側(cè)盤(pán)區(qū)礦房頂板變形呈對(duì)稱(chēng)性減??;盤(pán)區(qū)礦房間隔回采充填引起采場(chǎng)頂板變形比順序回采充填小,有利于控制采場(chǎng)變形,提高采場(chǎng)穩(wěn)定性。