周曉超
(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南 昆明 650051)
地下礦山應(yīng)用空場法進行礦產(chǎn)資源開采過程中,通常會形成大量的地下采空區(qū)。若不及時進行處理,當采空區(qū)體積達到一定程度時協(xié)同性減弱或不協(xié)同,就有可能發(fā)生頂板冒落、礦柱片幫等地壓災(zāi)害,造成礦山重大人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-2]。某一地下采場結(jié)構(gòu)在小尺度范圍內(nèi)保持協(xié)同穩(wěn)定,但隨開采繼續(xù)超出一定范圍后可能出現(xiàn)弱協(xié)同而發(fā)生量變到質(zhì)變的突變失穩(wěn)。一般采用空場法開采的緩傾斜礦體,由于自身固有的開采技術(shù)條件、頂板暴露面積有限、傾角較小導致崩落礦石不能借助自重放出,且不能實現(xiàn)大量落礦的高效采礦而成為難采礦體[3-4]。為實現(xiàn)復(fù)雜開采條件下礦體的安全高效回采,古德生[5]基于地下礦山系統(tǒng)復(fù)雜性、非線性等特性基礎(chǔ),以及礦山工業(yè)生態(tài)學和可持續(xù)發(fā)展的理念,創(chuàng)造性地提出了“采礦環(huán)境再造”這一科學命題。采礦環(huán)境再造的本質(zhì)就是以回采礦體賦存環(huán)境作為建筑環(huán)境,通過在回采礦段周圍構(gòu)筑充填體等人工結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段,改造礦體開采的技術(shù)條件,從而實現(xiàn)在這一結(jié)構(gòu)下礦石的安全、經(jīng)濟、高效回采。而決定該方法成功與否的關(guān)鍵是充填的人工礦柱與頂板能否在回采期間保持協(xié)同穩(wěn)定[5-6]。
因此,從礦山宏觀全局和礦山工業(yè)生態(tài)學、可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā),安全生產(chǎn)既要保證留設(shè)合理的頂板、礦柱尺寸,又要從生產(chǎn)、環(huán)境角度考慮盡可能提高礦石的回收率,避免資源的浪費,并實現(xiàn)對環(huán)境的保護與修復(fù)[7]。如何協(xié)調(diào)這一矛盾體以達到頂板-礦柱系統(tǒng)時空、結(jié)構(gòu)上的協(xié)同并實現(xiàn)安全與利益的最優(yōu)化,至關(guān)重要。本文從這一矛盾體出發(fā),結(jié)合礦山I-9礦體具體工程背景,引入?yún)f(xié)同理念,運用數(shù)值模擬方法探究頂板-礦柱系統(tǒng)動態(tài)演化中的協(xié)同協(xié)作,并結(jié)合采礦環(huán)境再造構(gòu)筑人工采礦環(huán)境這一地壓控制技術(shù)進行礦體環(huán)境修復(fù),在保證采礦空間結(jié)構(gòu)協(xié)同穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)后續(xù)礦體的安全開采。
礦山I-9礦群南北長 2 km,東西寬800~1 000 m,礦體多為似層狀,緩傾斜8~15°產(chǎn)出于變質(zhì)火山巖的不同部位,為賦存于玄武巖的銅礦體,圍巖整體穩(wěn)固性較好,礦巖物理力學性質(zhì)見表1。礦山目前主要采用空場法進行開采,在I-9礦群開采范圍內(nèi)形成了一定的采空區(qū)群和留設(shè)有大量的不規(guī)則點柱。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,空區(qū)分布范圍廣、數(shù)量多,但主要集中分布于15、16線之間,標高處于 1 820~1 870 m 之間,空區(qū)高度大多數(shù)為5~7 m。采空區(qū)形成的速度由 86 m3/d(采空區(qū)高度按 5 m 計算)增加到 108 m3/d(全年新增采空區(qū) 35 640 m3),大量新增采空區(qū)的出現(xiàn),帶來極大的安全隱患。其次,由于開采初期采用全面采礦法開采時未進行合理的規(guī)劃,只是依據(jù)開采現(xiàn)場留設(shè)不規(guī)則的礦(點)柱維持空區(qū)穩(wěn)定。通過現(xiàn)場調(diào)查,留設(shè)的點柱尺寸和間距都不盡合理、規(guī)范,有的礦柱尺寸較小僅約 2 m,已發(fā)生開裂剝落現(xiàn)象,不滿足結(jié)構(gòu)上的協(xié)同;有的則達到 20 m 左右,這在一定程度上又造成了資源的浪費。
表1 礦巖物理力學參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters
協(xié)同即協(xié)同作用的科學,這一理念由德國物理學家哈肯于1977年在非線性科學理論中提出,主要探討系統(tǒng)從無序到有序發(fā)生質(zhì)變進而演化的特征和規(guī)律[8-10]。地下空區(qū)頂板-礦柱系統(tǒng)通過與外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量的彼此交換,在非線性機制作用下和外界擾動放大作用漲落形成有序態(tài),實現(xiàn)量變到質(zhì)變的過程[11]。井下空區(qū)系統(tǒng)所謂的協(xié)同就是空區(qū)系統(tǒng)在采場不斷形成過程中表現(xiàn)的和諧與正向配合的關(guān)系,既相互影響又相互協(xié)作。隨工作面開采推進頂板暴露面積的增加,為保證系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定應(yīng)留設(shè)合理的礦柱進行支撐。穩(wěn)定的系統(tǒng)內(nèi)部都是遵循一定的方式協(xié)同有序運動,即系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展是有規(guī)律的,如果井下礦柱布置與頂板暴露面積不配套可能使得協(xié)同作用減弱或超出協(xié)同的范圍,即削弱了系統(tǒng)的協(xié)同程度[12-13]。系統(tǒng)協(xié)同性減弱或達到不協(xié)同將可能導致系統(tǒng)的突發(fā)失穩(wěn),進而引發(fā)地下空區(qū)頂板冒頂、礦柱開裂垮塌等地壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象,從而打破原有的平衡,破壞系統(tǒng)的協(xié)同。因此,為使系統(tǒng)間能很好配合、協(xié)同自我組織達到空區(qū)的穩(wěn)定,可通過充填技術(shù)手段改造礦體賦存條件對安全隱患較大的區(qū)域進行采礦環(huán)境再造,以減小采場頂板的暴露面積,增大礦柱的相對支撐面積,以實現(xiàn)空區(qū)系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定。
圖1 I-9礦群三維有限元網(wǎng)格Fig.1 3D finite element mesh of I-9 ore
本次I-9礦體模型的建立采用三維非線性有限元3D-σ軟件。模型沿礦體走向為 1 400 m(x方向),垂直方向為 800 m(z方向),鉛垂方向為 750 m(y方向,垂直礦體走向),如圖1所示。計算時模型邊界采取位移約束,即模型底部所有節(jié)點采用x、y、z3個方向約束,巖石破壞準則采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則。
為確定系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定對頂板跨度、礦柱寬度變化的依存關(guān)系,結(jié)合礦山I-9礦體采場結(jié)構(gòu),提出6種不同模擬方案來探究采礦空間結(jié)構(gòu)對開采穩(wěn)定的影響,計算方案見表2。
表2 計算方案(模型)Tab.2 Numerical procedure(model)
鑒于文章篇幅限制,文中只給出了方案一、方案二礦柱安全率、塑性區(qū)與頂板應(yīng)力場的模擬結(jié)果,見圖2—7,不同方案計算分析結(jié)果如表3所示。
表3 不同方案頂板、礦柱應(yīng)力和安全率統(tǒng)計Tab.3 Stress and safety factor of roof-pillar for different scheme
通過各方案安全率、塑性區(qū)和應(yīng)力場計算分析結(jié)果得出:在采礦空間結(jié)構(gòu)頂板跨度為 15 m、20 m、30 m 而對應(yīng)礦柱寬為 3.0 m、4.5 m、6.0 m 時滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。對比分析方案一、二,由圖6、7并結(jié)合表3可以看出,方案一、二頂板最大拉應(yīng)力、礦柱最大壓應(yīng)力分別為 2.514 MPa、23.202 MPa 和 2.887 MPa、25.637 MPa,方案二拉應(yīng)力、壓應(yīng)力較方案一都存在不同程度的增大;同時由圖4、5看出,方案二塑性區(qū)范圍較方案一明顯增大且存在貫通趨勢。據(jù)圖2、3顯示,方案二中礦柱最小安全率為1.038,明顯小于方案一中1.258,且以不滿足結(jié)構(gòu)協(xié)同穩(wěn)定的要求處于極限平衡態(tài)。模擬分析結(jié)果表明:在礦柱結(jié)構(gòu)尺寸一定時,礦體開挖后采場周圍礦巖最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力隨頂板跨度增大而增大,當跨度增大到一定程度超出安全采礦結(jié)構(gòu)即協(xié)同作用范圍時就會出現(xiàn)系統(tǒng)的弱協(xié)同、不協(xié)同而發(fā)生突發(fā)失穩(wěn)。
圖2 安全率分布(方案一) Fig.2 Distribution of safety rate(project 1)
圖3 安全率分布 (方案二)Fig.3 Distribution of safety rate(project 2)
圖4 塑性區(qū)分布(方案一) Fig.4 Distribution of plastic zone(project 1)
圖5 塑性區(qū)分布(方案二)Fig.5 Distribution of plastic zone(project 2)
圖6 主應(yīng)力場分布(方案一)Fig.6 Distribution of primary stress field(project 1)
圖7 主應(yīng)力場分布(方案二)Fig.7 Distribution of primary stress field(project 2)
空場采礦法頂板的暴露面積不僅是決定采礦作業(yè)安全協(xié)同穩(wěn)定的重要參數(shù),更直接關(guān)系到礦石回收率、采礦成本等技術(shù)經(jīng)濟指標,因此研究頂板極限暴露面積具有很大現(xiàn)實意義。由于地壓受多元因素的影響,用數(shù)據(jù)理論、公式計算最佳暴露面積是異常復(fù)雜且艱難的問題[12]。因此,本文試圖從數(shù)值仿真模擬角度探索頂板極限暴露面積的大小,也就是正確控制礦巖的崩落從而有效控制地壓,確保開采系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定。
穩(wěn)定空區(qū)暴露面積即采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)在頂板圍巖中的應(yīng)力指標達到強度極限。頂板暴露面積影響系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)形態(tài),限制系統(tǒng)協(xié)同的范圍,從而形成安全采礦空間結(jié)構(gòu)。
考慮礦山I-9礦體頂板以大理巖和玄武巖為主,因此本文對頂板為大理巖、下頂板為玄武巖的極限暴露面積的安全率、塑性區(qū)和應(yīng)力場進行研究,以期探討空場條件下空區(qū)系統(tǒng)協(xié)同性要求。結(jié)合I-9礦體現(xiàn)場開采實際,考慮不同暴露面積下的力學響應(yīng)研究,方案如表4所示。
表4 不同巖性頂板暴露面積模擬方案Tab.4 Exposed roof-area of simulation scheme for different lithology
鑒于篇幅限制,本文只列出了3種方案下主應(yīng)力分布圖,如圖8、9所示。
圖8 3種方案采空區(qū)頂板主應(yīng)力分布(頂板為大理巖)Fig.8 Primary stress distribution of goaf roof for three schemes(roof is marble)
圖9 3種方案采空區(qū)頂板主應(yīng)力分布(頂板為玄武巖)Fig.9 Primary stress distribution of goaf roof for three schemes(roof is basalt)
由數(shù)值模擬結(jié)果得出:頂板為大理巖的3種方案中最大拉應(yīng)力分別為 0.459 MPa、0.593 MPa、0.905 MPa 對應(yīng)的最小安全率分別為1.175、1.107、0.960,而玄武巖方案中最大拉應(yīng)力為 1.721 MPa、2.688 MPa、3.254 MPa 對應(yīng)的最小安全率分別為1.21、1.126、0.997??紤]頂板易發(fā)生拉破壞以及頂板受拉強度極限,最終得出:頂板為大理巖時采空區(qū)的極限暴露面積約為 1 000 m2,頂板為玄武巖時采空區(qū)的極限暴露面積約為 1 600 m2,當頂板暴露面積控制在該尺度范圍內(nèi)方能有效控制地壓,防止頂板冒落等地壓現(xiàn)象,實現(xiàn)空區(qū)系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定。
為研究不同空區(qū)暴露面積下采場的穩(wěn)定性變化規(guī)律,統(tǒng)一按照最優(yōu)的對稱均勻(Ie=0)布置礦柱方案,并按比例復(fù)制礦柱,探索不同采空區(qū)面積下頂板-礦柱系統(tǒng)協(xié)同作用的力學響應(yīng)規(guī)律。
本次模擬不針對具體工程實際問題,為便于協(xié)同作用研究,簡化模型空區(qū)尺寸至10×10、20×20、40×40進行協(xié)同處理模式分析,從而探討隨空區(qū)面積增大、礦柱布置同等比例增加時的系統(tǒng)應(yīng)力、位移的變化規(guī)律,探討應(yīng)力變化關(guān)系和協(xié)同效應(yīng)。圖10給出了10×10空區(qū)面積下礦柱協(xié)同處理模式的幾何圖,圖11顯示了3種工況下礦柱布置示意。
圖10 礦柱協(xié)同處理模式幾何示意圖 Fig.10 Geometric diagram of pillar coprocessing mode
圖11 3種工況礦柱布置示意圖Fig.11 Layout diagram of pillar for three conditions
根據(jù)3種不同工況下礦柱的布置進行了應(yīng)力、位移分布規(guī)律的研究,表5顯示了3種工況下的最大垂直、水平應(yīng)力和豎向、水平位移。
表5 不同工況下系統(tǒng)協(xié)同處理模式的力學響應(yīng)
由數(shù)值分析結(jié)果,運用SPSS軟件得出圖12、13豎向最大應(yīng)力、位移對空區(qū)尺寸變化規(guī)律曲線,從中得出3種工況下隨暴露面積增加,應(yīng)力、位移均呈現(xiàn)非線性增長趨勢。
考慮頂板沉降值對協(xié)同性影響,由數(shù)值分析最大豎向位移分析結(jié)果,經(jīng)3種模型線性(L)、二次曲線(Q)、冪函數(shù)曲線(W)擬合出如圖14所示關(guān)系曲線。模型結(jié)果和參數(shù)預(yù)測如表6所示。
圖12 豎向最大應(yīng)力變化規(guī)律曲線Fig.12 The curve of maximum vertical stress
圖13 豎向最大位移變化規(guī)律曲線Fig.13 The curve of maximum vertical displacement
表6 模型結(jié)果與參數(shù)預(yù)測
由表6看出,線性、二次曲線、冪函數(shù)曲線下二次曲線擬合效果R2=1.000,Sig顯著水平0.002<0.01差異性極其明顯,效果良好,因此本文選用二次曲線擬合進行協(xié)同范圍條件預(yù)測,通過對空區(qū)邊長-礦柱豎向位移曲線擬合后得如下表達式:
y=0.003 72x2-0.005 69x+0.256 50
(1)
式(1)中,x為空區(qū)最大邊長,m;y為頂板沉降量,mm,本次研究選取 10 mm、30 mm、50 mm 分析。
圖14 不同模型空區(qū)邊長與礦柱豎向位移擬合曲線Fig.14 The fitted curve for pillar vertical displacement and goaf length (different model)
由上述表達式得出:當要求頂板下沉量分別控制在<10 mm、< 30 mm、<50 mm 時,確定空區(qū)邊長分別為 51.95 m、90.19 m、116.40 m,空區(qū)頂板最大連續(xù)暴露面積 2 698.7 m2、8 133.5 m2、13 550 m2內(nèi)滿足協(xié)同要求,當超出該范圍后可能呈現(xiàn)弱協(xié)同或不協(xié)同。
通過對空區(qū)系統(tǒng)應(yīng)力、位移變化規(guī)律以及由頂板沉降量考慮協(xié)同條件分析得出:對較小的頂板暴露面積留設(shè)一定的點柱控制空區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,隨著空區(qū)極限暴露面積的增大,按照頂板暴露面積增大比例,布置同等比例的礦柱進行復(fù)制后礦柱承受應(yīng)力并非線性增長而是呈現(xiàn)非線性增長機制,此時頂板-礦柱可能表現(xiàn)出弱協(xié)同。這從側(cè)面反映出,頂板-礦柱的協(xié)同合作具備一定的條件和范圍,隨頂板暴露面積的增大,地壓顯現(xiàn)表現(xiàn)出非線性的特征。因此,為保證井下采空區(qū)系統(tǒng)的協(xié)同穩(wěn)定,當工作面推進到一定程度,在進行礦柱復(fù)制性的布置時,應(yīng)根據(jù)采空區(qū)地壓顯現(xiàn)和井下開采實際,通過充填技術(shù)進行采礦環(huán)境再造,構(gòu)筑人工采礦結(jié)構(gòu),減小頂板相對暴露面積,保證協(xié)同穩(wěn)定下實現(xiàn)后續(xù)礦體開采。
數(shù)值模擬結(jié)果表明:頂板及礦柱的塑性區(qū)分布都較小,未出現(xiàn)貫通的現(xiàn)象,只在礦柱尺寸較小和頂板暴露面積較大處出現(xiàn)了一定程度塑性區(qū)的連通,且主要集中在15、16線,說明該區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴重,但不影響空區(qū)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定,這與現(xiàn)場實際情況比較吻合:現(xiàn)階段開采整體穩(wěn)定性相對較好, 不存在較大的安全隱患;但是以現(xiàn)有的方式進行后續(xù)開采,可能造成空區(qū)之間相互貫通,連接成片,構(gòu)成大規(guī)模復(fù)雜的采空區(qū)群,加劇井下地壓活動。
對于由礦房-礦柱體系構(gòu)成的復(fù)雜采空區(qū)群,隨開采的進行礦柱將承受更大的荷載,當某一尺寸較小的礦柱失效后頂板將發(fā)生開裂形成更大的垮落帶。此時,上覆巖層荷載將轉(zhuǎn)移給相鄰的礦柱,產(chǎn)生連鎖反應(yīng),進而可能發(fā)生更大范圍礦柱的失穩(wěn),最終會對生產(chǎn)造成較大的安全隱患[13]。因此,本文針對于I-9礦體的后續(xù)開采以及殘礦回采,提出采礦環(huán)境再造技術(shù)進行人工環(huán)境構(gòu)筑,改善礦體賦存環(huán)境,以保證采空區(qū)頂板-礦柱系統(tǒng)在采場推進過程中實現(xiàn)自組織,達到結(jié)構(gòu)和功能上的協(xié)同即穩(wěn)定。
結(jié)合礦山I-9礦體現(xiàn)場開采實際情況和數(shù)值分析結(jié)果,本文認為在不充填的前提下開采存在較大的安全隱患。針對礦山現(xiàn)場的實際情況,通過分析認為,對于目前15、16線之間安全隱患較大的空區(qū),本著提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、確保較低的資源損失、貧化率及空區(qū)頂板-礦柱系統(tǒng)協(xié)同作用的指導思想,建議后期開采時在15、16線位置留 6 m 的連續(xù)礦柱將現(xiàn)有采空區(qū)隔離;隔離后的采空區(qū)與 1 820 m、1 870 m 中段塊石充填成的人工采礦結(jié)構(gòu)將剩余礦體劃分為相對獨立的區(qū)域(A、B、C、D、E、F 6個區(qū)域),在回采礦段周圍形成相對穩(wěn)定的受限空間進行開采,即所謂的“采礦環(huán)境再造”。構(gòu)筑的井字型人工礦柱(隔離層)將采場劃分為幾個區(qū)域?qū)諈^(qū)進行分割、隔離,有效減少了空區(qū)的暴露面積,將空區(qū)周邊集中于礦體、圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移給人工礦柱,進而使留設(shè)的礦(點)柱更多地處于應(yīng)力解除區(qū),提高了巖體環(huán)境,進而達到協(xié)同作用的要求。充填礦柱位置方案及礦塊劃分如圖15所示。通過環(huán)境再造實現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)協(xié)同,根據(jù)頂板穩(wěn)固程度不同對剩余礦體、殘礦采用抽柱法、削柱法和構(gòu)筑人工環(huán)境替柱法等方案回采。
圖15 15、16線采礦環(huán)境再造人工結(jié)構(gòu)布置示意Fig.15 Mining environment regenerating manual structure for 15、16 line
根據(jù)采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)布置方案,由數(shù)值模擬給出了15、16線、1 820—1 870 m 區(qū)域井字型布置,其他區(qū)域留設(shè) 3 m×3 m、間距 12 m 點柱進行開采的頂板、礦柱主應(yīng)力場、安全率指標,如圖16—19所示。
表7數(shù)值分析結(jié)果顯示,對15、16線、1 820—1 870 m 中段間充填人工礦柱,能使現(xiàn)有的空區(qū)隔離減小,使得頂板暴露面積下頂板、礦柱應(yīng)力和安全率均滿足協(xié)同性要求;而不采取任何措施的繼續(xù)開采,其頂板抗拉強度明顯低于充填了人工礦柱的相應(yīng)值,且安全率低于臨界值。因此,通過充填技術(shù)進行礦體原有環(huán)境再造,改變外部環(huán)境即減小頂板暴露面積實現(xiàn)采礦空間結(jié)構(gòu)上的協(xié)同,可實現(xiàn)礦體安全開采。
圖16 采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)點柱主應(yīng)力分布Fig.16 Primary stress distribution of pillar for mining environment structure
圖17 采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)點柱安全率分布Fig.17 Safety factor distribution of pillar for mining environment structure
圖18 采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)頂板主應(yīng)力分布Fig.18 Primary stress distribution of roof for mining environment structure
圖19 采礦環(huán)境結(jié)構(gòu)頂板安全率分布Fig.19 Safety factor distribution of roof for mining environment structure
表7 不同方案下頂板、礦柱應(yīng)力和安全率指標
1)引入?yún)f(xié)同理念,從系統(tǒng)科學、非線性角度探索頂板-礦柱系統(tǒng)協(xié)同作用規(guī)律,提出協(xié)同發(fā)展具有條件性;從礦業(yè)生態(tài)學、可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā),提出通過構(gòu)筑人工采礦結(jié)構(gòu)進行原有礦體環(huán)境修復(fù)來實現(xiàn)后續(xù)礦體安全開采,具有重要指導意義。
2)運用有限元模擬采礦空間結(jié)構(gòu)不同尺寸效應(yīng)下協(xié)同作用的力學響應(yīng),由主應(yīng)力、塑性區(qū)和安全率的分布規(guī)律得出:頂板跨度為 15 m、20 m、30 m 時對應(yīng)協(xié)同礦柱結(jié)構(gòu)尺寸為 3 m、4.5 m 和 6 m,頂板為大理巖、玄武巖時極限暴露面積指標分別為 1 000 m2、1 600 m2。
3)采用塊石充填采礦環(huán)境再造技術(shù)進行后續(xù)礦體開采,明顯改善了系統(tǒng)應(yīng)力分布狀態(tài)和安全率,使頂板最大拉應(yīng)力由 3.496 MPa 降至 1.655 MPa,安全率由0.924升至1.229,實現(xiàn)了礦體開采小區(qū)域范圍內(nèi)協(xié)同。