廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體應(yīng)力分布與覆巖變形移動(dòng)規(guī)律研究

王其虎 賀耀華 楊 帆 伍 蒙 姚 囝

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

隨著我國(guó)對(duì)礦山環(huán)境保護(hù)的日趨重視,充填法逐漸成為地下礦山的主要采礦方法[1-2]。礦山在選礦后形成的尾砂、廢石等廢料極易污染當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,合理處置大量的固體廢棄物成為當(dāng)前礦山企業(yè)亟待解決的問(wèn)題[3-6]。利用這部分廢料搭配水泥等黏合劑混合制成廢石膠結(jié)充填骨料與尾砂膠結(jié)充填骨料交替充填采空區(qū),即可形成由強(qiáng)弱介質(zhì)交替組合的廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體。由于廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體內(nèi)不同力學(xué)強(qiáng)度介質(zhì)的變形特性存在差異,導(dǎo)致其在采場(chǎng)圍巖荷載環(huán)境下表現(xiàn)出的力學(xué)行為更為復(fù)雜。不同強(qiáng)弱介質(zhì)在交界面上相互約束,礦巖和充填體實(shí)際上處于外加荷載和約束應(yīng)力的多項(xiàng)受力狀態(tài)下,廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體的承載特性無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)某一種材料的變形參數(shù)進(jìn)行描述。因此,需對(duì)廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力分布與覆巖變形移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究,以保障采礦作業(yè)安全和節(jié)約充填成本。

緩傾斜礦體賦存范圍廣,地下開(kāi)采對(duì)覆巖的擾動(dòng)范圍大,其開(kāi)采后圍巖應(yīng)力與覆巖移動(dòng)規(guī)律是學(xué)者們研究的重點(diǎn),研究對(duì)象多聚焦在空?qǐng)龇ɑ騿我唤橘|(zhì)充填開(kāi)采對(duì)圍巖應(yīng)力與覆巖變形的影響。關(guān)守安等[7]針對(duì)緩傾斜中厚礦體下行充填開(kāi)采過(guò)程中的巖層移動(dòng)和地表塌陷規(guī)律展開(kāi)了研究,結(jié)果表明,充填開(kāi)采能有效抑制巖層移動(dòng)和地表塌陷。周曉超等[8]運(yùn)用FLAC3D軟件建立三維模型,模擬地表沉降規(guī)律,為分析地下礦體開(kāi)采對(duì)地表村莊的影響提供了一定的理論依據(jù)。楊寧等[9]提出了中深孔菱形礦房分段充填采礦法,實(shí)現(xiàn)了緩傾斜中厚不穩(wěn)固礦體的安全、高效回采。蘭曉平[10]采用礦柱—空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)理論力學(xué)分析、礦床地質(zhì)分析與微震監(jiān)測(cè)技術(shù)手段相結(jié)合的方法,大致圈定了整體采空區(qū)的應(yīng)力集中區(qū)域。池秀文等[11]分析了不同條件下緩傾斜中厚礦體開(kāi)采時(shí)的采場(chǎng)頂?shù)装?、充填條帶的應(yīng)力變形,提高了采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。

目前針對(duì)充填體承載特性的研究,學(xué)者們傾向于研究充填體自身的力學(xué)性質(zhì),部分學(xué)者的研究重點(diǎn)在于充填體與圍巖所構(gòu)成的復(fù)合支撐體系的力學(xué)體系和承載特性。代少軍等[12]、王浩等[13]分別通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)灰砂比不同的充填材料組合體的力學(xué)特性及協(xié)同變形特征開(kāi)展研究,得到充填體的動(dòng)力學(xué)特性及損傷度。楊嘯等[14]采用低成本的戈壁砂、選礦尾砂和棒磨砂作為骨料開(kāi)展了不同配比的充填體強(qiáng)度試驗(yàn),得到最大充填強(qiáng)度配比值,解決了金川礦山充填成本高的難題。何建元等[15]、程愛(ài)平等[16]分別通過(guò)配比試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn),確定了尾砂充填體的最優(yōu)配比區(qū)間。張金等[17]對(duì)比分析了不同配比及濃度的膠結(jié)充填體試樣,研究表明,充填體強(qiáng)度與硬石膏摻入量呈正相關(guān)。易雪楓等[18]分析了不同廢石含量下的金屬礦尾廢膠結(jié)充填體的細(xì)觀損傷、開(kāi)裂及破裂演化的內(nèi)在機(jī)制,為尾廢膠結(jié)充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性預(yù)測(cè)提供了理論支撐。LIU等[19]通過(guò)不穩(wěn)定性判據(jù)的能量模型探究了充填體與巖體的相互作用關(guān)系,為充填體的合理強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。目前學(xué)者多探討單一充填介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)及對(duì)圍巖的耦合作用,鮮有分析兩種及以上力學(xué)性質(zhì)不同的充填材料與圍巖所構(gòu)成的復(fù)雜支撐體系的穩(wěn)定性問(wèn)題。

本研究根據(jù)典型廢石尾砂交替充填采場(chǎng)的實(shí)際情況,分析變形特性差異較大的廢石膠結(jié)充填骨料與尾砂膠結(jié)充填骨料交替充填所構(gòu)成的充填結(jié)構(gòu)體的承載特性,探討廢石充填體與尾砂充填體這兩種力學(xué)性質(zhì)不同的充填介質(zhì)協(xié)同作用下的采場(chǎng)穩(wěn)定情況,揭示該類充填結(jié)構(gòu)體應(yīng)力集中程度的變化規(guī)律,為提升廢石充填體與尾砂充填體的協(xié)同充填作用提供一定的理論依據(jù)。

1 采場(chǎng)概況

位于湖北省宜昌市的曬旗河礦區(qū)的含磷礦層是典型的緩傾斜礦體[20-23],如圖1所示。該地區(qū)其他礦區(qū)開(kāi)采資源量較豐富且長(zhǎng)期以房柱采礦法開(kāi)采為主,而曬旗河礦區(qū)位于河流下方,“三下”開(kāi)采要求采用充填采礦法,導(dǎo)致該礦區(qū)未被及時(shí)開(kāi)采。為控制上覆巖層移動(dòng)、減少礦產(chǎn)資源浪費(fèi)且充分利用開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的部分廢石和大部分尾砂,擬采用廢石尾砂交替充填法進(jìn)行開(kāi)采,如圖2所示。

圖1 曬旗河礦區(qū)礦體剖面Fig.1 Profile of the orebodies in Shaiqi River mining area

圖2 典型廢石尾砂充填法采場(chǎng)Fig.2 Typical stope by filling method with waste rock and tailings

將該緩傾斜礦體劃分為盤區(qū),將待開(kāi)采盤區(qū)劃分為10個(gè)條帶,每個(gè)條帶與礦體走向垂直;上分段鏟運(yùn)機(jī)道的底部礦體作為頂柱,下分段鏟運(yùn)機(jī)道的底部礦體作為底柱。在1號(hào)條帶開(kāi)采時(shí),以切割上山為作業(yè)空間,沿1號(hào)條帶上向式回采。2號(hào)條帶開(kāi)采時(shí),除了作業(yè)空間外,其余同1號(hào)條帶,即2號(hào)條帶的作業(yè)空間為1號(hào)條帶開(kāi)采后形成的空區(qū)。3號(hào)條帶及以后各條帶的開(kāi)采方式為,所開(kāi)采條帶的作業(yè)空間為上一條帶開(kāi)采后形成的空區(qū),沿本條帶上向式回采;同時(shí)在采空區(qū)內(nèi)相鄰一個(gè)條帶寬度的區(qū)域充填形成條帶充填體;各條帶充填作業(yè)方向和速度與開(kāi)采作業(yè)一致,寬度與條帶礦體寬度相等。1號(hào)條帶充填體是以廢石膠結(jié)充填骨料為介質(zhì)充填形成的廢石充填體,后續(xù)充填介質(zhì)以尾砂膠結(jié)充填骨料和廢石膠結(jié)充填骨料交替充填形成條帶充填體,以此類推,盤區(qū)開(kāi)采完畢形成的兩個(gè)條帶寬度的采空區(qū)也按照上述方法充填,直至盤區(qū)充填完畢。為評(píng)估交替充填方案的適用性,本研究以曬旗河礦區(qū)為例,采用相似模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析,探討廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 相似模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)范圍和模型試驗(yàn)架尺寸,確定幾何相似比為Cl=1∶300;模型相似材料選用普通河砂作為骨料,華新32.5復(fù)合硅酸鹽水泥和石膏作為膠結(jié)料。試驗(yàn)室配制的相似材料密度范圍一般為1 500～2 000 kg/m3,實(shí)際礦山的巖體密度一般為2 500～3 000 kg/m3,故確定密度相似比Cρ=1∶1.5,時(shí)間相似比Ct=1∶10,基于相似準(zhǔn)則確定應(yīng)力相似比Cσ=1∶450。曬旗河礦區(qū)實(shí)際開(kāi)采范圍共6個(gè)巖層,其中5號(hào)巖層為本次試驗(yàn)開(kāi)采的含磷礦層,各個(gè)巖層和廢石、尾砂充填體的配比號(hào)和抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 模擬關(guān)鍵層及充填體相似材料配比及物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Proportion of similar materials and physical and mechanical parameters of simulated key layers and filling bodies

礦區(qū)典型開(kāi)采斷面如圖3所示。

圖3 相似模擬斷面Fig.3 Similar simulation section

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀上轮辽习凑諑r層分層連續(xù)澆筑,每次裝填料20～50 mm厚度;每澆筑完一層巖層后,采用云母粉進(jìn)行分層處理,模擬巖層弱節(jié)理面;待模型澆筑完畢7 d定型后進(jìn)行拆模,再養(yǎng)護(hù)28 d達(dá)到開(kāi)采作業(yè)強(qiáng)度,并在模型表面用不同顏色的顏料區(qū)分巖層。模型僅在垂直方向上考慮巖層自重影響,不額外施加應(yīng)力,模型兩側(cè)與背面分別施加水平約束,正面則施加自由約束。

2.2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案

為了研究采場(chǎng)開(kāi)挖及充填過(guò)程對(duì)地表沉降的影響,在地表設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn),從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束利用千分表進(jìn)行全程測(cè)量,在每次開(kāi)采充填試驗(yàn)前后記錄千分表數(shù)值,待全部試驗(yàn)結(jié)束后每12 h記錄一次數(shù)據(jù),共記錄10次。監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)從左到右依次設(shè)為A、B、C、D和E點(diǎn)。針對(duì)開(kāi)采礦層對(duì)上部頂板的影響作用,在模型制作中每個(gè)條帶礦體正上方30 mm處放置土壓力盒,共計(jì)10個(gè)。從試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)不間斷連續(xù)記錄數(shù)據(jù)直至試驗(yàn)結(jié)束。應(yīng)變片粘貼于開(kāi)采條帶礦體圍巖上,每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)均以“T”字形狀粘貼,便于同時(shí)監(jiān)測(cè)水平與垂直方向位移。每個(gè)條帶充填體待表面凝結(jié)后再以“T”字形狀粘貼應(yīng)變片。為充分記錄廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體及礦體圍巖應(yīng)力變化數(shù)據(jù),待開(kāi)采、充填過(guò)程全部結(jié)束之后再進(jìn)行為期5 d的監(jiān)測(cè)記錄,確保廢石尾砂交替充填采場(chǎng)應(yīng)力平衡后再結(jié)束試驗(yàn),保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。應(yīng)變片粘貼過(guò)程如圖4所示。

圖4 曬旗河礦區(qū)充填開(kāi)采相似模型Fig.4 Similarity model of filling mining in Shaiqi River mining area

2.3 試驗(yàn)開(kāi)采充填方案

開(kāi)挖、充填總過(guò)程共分為12個(gè)時(shí)步,各時(shí)步之間間隔12 h。因相似模型實(shí)際操作空間有限,故條帶礦體開(kāi)挖完畢后再進(jìn)行充填作業(yè),模擬開(kāi)采與充填作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。第1時(shí)步開(kāi)挖1號(hào)條帶礦體,第2時(shí)步開(kāi)挖2號(hào)條帶礦體,第3時(shí)步開(kāi)挖3號(hào)條帶礦體,并在1號(hào)條帶礦體位置充填廢石膠結(jié)充填骨料,形成1號(hào)條帶充填體;第4時(shí)步開(kāi)挖4號(hào)條帶礦體,并在2號(hào)條帶礦體位置充填尾砂膠結(jié)充填骨料,形成2號(hào)條帶充填體;以此類推,交替充填廢石或尾砂膠結(jié)充填骨料。等到第10時(shí)步,開(kāi)挖10號(hào)條帶礦體,在8號(hào)條帶礦體位置充填尾砂膠結(jié)充填骨料,形成8號(hào)條帶充填體。第11時(shí)步是在9號(hào)條帶礦體位置充填廢石膠結(jié)充填骨料,形成9號(hào)條帶充填體。第12時(shí)步是在10號(hào)條帶礦體位置充填尾砂膠結(jié)充填骨料,形成10號(hào)條帶充填體。整個(gè)開(kāi)采充填過(guò)程至此結(jié)束。

3 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 頂板應(yīng)力演化分析

3號(hào)條帶礦體頂板垂直方向的時(shí)間—應(yīng)力關(guān)系如圖5所示。3號(hào)條帶礦體開(kāi)挖卸載頂板部分應(yīng)力,頂板呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。拉應(yīng)力值隨著開(kāi)采充填的進(jìn)行而變大,速率則隨著開(kāi)采的進(jìn)行而減小,在3號(hào)條帶礦體開(kāi)采充填試驗(yàn)結(jié)束后的10 000 min應(yīng)力值穩(wěn)定在0.12 MPa附近。整個(gè)開(kāi)采過(guò)程存在一些波動(dòng),這是因?yàn)樵陂_(kāi)采其他條帶礦體時(shí)會(huì)對(duì)頂板圍巖產(chǎn)生擾動(dòng),但相對(duì)于整體趨勢(shì)影響不大。

圖5 3號(hào)條帶礦體頂板垂直方向時(shí)間—應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Time-stress relationship of the vertical direction of the roof of the No.3 orebody

3.2 礦體應(yīng)力演化分析

第1時(shí)步各條帶礦體頂板的相對(duì)應(yīng)力變化情況如圖6所示。由圖6可知:第1時(shí)步開(kāi)采1號(hào)條帶礦體后應(yīng)力隨著開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力值迅速上升,在2 000 s到達(dá)最高值0.048 MPa,表明開(kāi)挖對(duì)條帶礦體頂板的應(yīng)力影響是迅速且劇烈的。開(kāi)采對(duì)條帶礦體上部頂板的擾動(dòng)達(dá)到頂點(diǎn)后,內(nèi)部應(yīng)力開(kāi)始重新分布達(dá)到再平衡,經(jīng)過(guò)3 500 s回落至0.013 MPa并保持穩(wěn)定。相鄰的2號(hào)條帶礦體頂板也受到相同的外力干擾,但由于荷載守恒原理,1號(hào)條帶礦體上部頂板部分荷載轉(zhuǎn)移到2號(hào)條帶礦體上部頂板,經(jīng)過(guò)開(kāi)采擾動(dòng)后頂板應(yīng)力重新分布,較開(kāi)采之前的應(yīng)力值減少0.010 MPa。此次開(kāi)挖過(guò)程對(duì)其他8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯影響,表明開(kāi)挖過(guò)程雖然對(duì)周圍圍巖的應(yīng)力值有所影響,但影響范圍有限,且在5 500 s內(nèi)作用結(jié)束。

圖6 第1時(shí)步各條帶礦體頂板相對(duì)應(yīng)力變化Fig.6 Changes in the relative stress of the roof of the ore body in the first time step

第10時(shí)步各條帶礦體頂板的相對(duì)應(yīng)力變化情況如圖7所示。由圖7可知:9號(hào)條帶礦體頂板在受到開(kāi)采擾動(dòng)后應(yīng)力開(kāi)始趨向于平衡,但由于相鄰的9號(hào)條帶礦體已被開(kāi)采形成采空區(qū),在10號(hào)條帶礦體開(kāi)采結(jié)束后兩頂板均處于懸空狀態(tài),兩處頂板的應(yīng)力值趨于一致,在開(kāi)采開(kāi)始900 s后9號(hào)、10號(hào)條帶礦體頂板處于懸空狀態(tài),頂板壓力轉(zhuǎn)移到未采礦巖和已經(jīng)回填的條帶充填體,故兩處頂板的壓力值趨于穩(wěn)定。

圖7 第10時(shí)步各條帶礦體頂板相對(duì)應(yīng)力變化情況Fig.7 Changes in the relative stress of the roof of the ore body in the tenth time step

3.3 礦山地表沉降值演化分析

本研究結(jié)合千分表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了5個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間—位移曲線,如圖8所示。隨著開(kāi)挖推進(jìn),地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值均隨時(shí)間的增加而增大,且在整個(gè)開(kāi)采充填過(guò)程中沉降速率保持恒定,表明礦體開(kāi)采對(duì)地表沉降的影響是持續(xù)且平穩(wěn)的。

圖8 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間—位移變化曲線Fig.8 Time-displacement curves of surface monitoring points

A點(diǎn)較其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率更快,這是因?yàn)锳點(diǎn)距離開(kāi)采礦層最遠(yuǎn),且最先被開(kāi)采的1號(hào)條帶礦體距離A點(diǎn)最近,受開(kāi)采影響最劇烈。A點(diǎn)整體沉降位移曲線呈階梯狀,沉降速率偏大的是開(kāi)采階段的沉降量,偏小的則是穩(wěn)定階段的沉降量,這表明開(kāi)采過(guò)程對(duì)地表沉降量影響最大,而在開(kāi)采間隔階段,由于開(kāi)采過(guò)程結(jié)束且部分采空區(qū)被回填,大幅削弱了采空區(qū)頂板沉降,降低了地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。廢石膠結(jié)充填骨料充填結(jié)束后比尾砂膠結(jié)充填骨料充填結(jié)束之后的地表沉降量小,表明廢石充填體比尾砂充填體具有更好的支撐性和穩(wěn)定性。A點(diǎn)前期的地表沉降量比后期大,是由于礦體開(kāi)采過(guò)程逐漸遠(yuǎn)離A點(diǎn)。地表沉降總量從高到低依次為監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D和E,這與礦體開(kāi)采方向一致,且越先開(kāi)采的礦體所對(duì)應(yīng)的地表沉降總量越大,也可從側(cè)面反映地表沉降總量與開(kāi)采時(shí)間呈正相關(guān)。

不同開(kāi)采時(shí)步下礦床地表下沉曲線如圖9所示。由圖9可知:A點(diǎn)沉降量明顯,對(duì)應(yīng)的地表為局部峰頂,隨著開(kāi)采的進(jìn)行這一趨勢(shì)更加明顯,較大的沉降量偏向左側(cè);峰頂位置沉降較明顯,地表平坦和邊坡部分的沉降速率基本相同,表明試驗(yàn)開(kāi)采充填設(shè)計(jì)對(duì)邊坡影響較小,偶有沉降速率過(guò)快也對(duì)整體影響不大,后續(xù)需對(duì)峰頂變形加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖9 不同開(kāi)采時(shí)步礦床地表下沉曲線Fig.9 Surface subsidence curves of deposits at different mining time step

第3時(shí)步時(shí),采空區(qū)跨度達(dá)到最大值15 cm,為3個(gè)條帶礦體的寬度。此時(shí)沉降量增值達(dá)到最大,并且超過(guò)后續(xù)增值。地表沉降變化與采空區(qū)實(shí)時(shí)跨度有明顯關(guān)系。采空區(qū)寬度越大,地表沉降越明顯,充填膠結(jié)材料會(huì)產(chǎn)生抑制作用。在第12時(shí)步結(jié)束后,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際沉降量從A到 E點(diǎn)依次為0.434、0.161、0.133、0.135、0.130 mm。

3.4 充填體承載分析

圖10為2號(hào)條帶充填體垂直方向的時(shí)間—應(yīng)力曲線。由圖10可知:在各時(shí)步開(kāi)采充填結(jié)束后條帶充填體迅速承載頂板釋放的荷載。隨著開(kāi)采進(jìn)行,應(yīng)力隨時(shí)間的增加而變大,經(jīng)過(guò)960 min迅速增加至0.017 MPa。這表明在開(kāi)采充填完成后1 680 min已經(jīng)承載頂板施加的大部分荷載,充填體受到的應(yīng)力值隨著上部頂板的應(yīng)力而增大,最后應(yīng)力值穩(wěn)定在0.024 MPa,此時(shí)條帶充填體自身應(yīng)力到達(dá)平衡。后續(xù)過(guò)程雖對(duì)條帶充填體自身應(yīng)力產(chǎn)生影響,但不影響整體變化趨勢(shì)。圖11為3號(hào)條帶充填體垂直方向的時(shí)間—應(yīng)力曲線,應(yīng)力變化規(guī)律與圖10類似,區(qū)別在于圖11的應(yīng)力較大,這是因?yàn)樵摋l帶充填體為廢石充填體,力學(xué)強(qiáng)度更大,故承擔(dān)頂板施加的絕大部分荷載。

圖10 2號(hào)條帶充填體垂直方向時(shí)間—應(yīng)力關(guān)系Fig.10 Vertical time-stress relationship of the No.2 strip filling body

圖11 3號(hào)條帶充填體垂直方向時(shí)間—應(yīng)力關(guān)系Fig.11 Vertical time-stress relationship of the No.3 strip filling body

開(kāi)采礦層水平各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖12所示。分析該圖可知:在采場(chǎng)頂板剛性約束下,3種承載體垂直方向上的變形差別不大,但承載狀態(tài)差異明顯。從圖中可以看出相對(duì)柔性的尾砂充填體承載的應(yīng)力較小,內(nèi)部應(yīng)力值為0.02 MPa。相對(duì)剛性的廢石充填體和未采礦巖承載的應(yīng)力較大,為采區(qū)頂板的主要支撐體,尾砂充填體應(yīng)力值大部分為0.18 MPa,未采礦巖應(yīng)力值為0.09 MPa。最左側(cè)的廢石充填體內(nèi)部應(yīng)力值達(dá)0.20 MPa,因相比其他位置的廢石充填體所受的應(yīng)力更大且最早為頂板提供支撐,該條帶充填體距離地表也更遠(yuǎn),故原巖應(yīng)力相對(duì)更大。

圖12 各承載體應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of each bearing body

3.5 采場(chǎng)安全系數(shù)分析

為分析廢石尾砂交替充填采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)安全程度,定義安全系數(shù)為各條帶充填體的抗壓強(qiáng)度與實(shí)際所受應(yīng)力的比值,計(jì)算各條帶充填體的安全系數(shù)并繪制了廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體的安全系數(shù)分布圖,如圖13所示。分析該圖可知:廢石充填體由于自身剛性更大、強(qiáng)度更高,相較于尾砂充填體承載了頂板施加的絕大部分荷載,導(dǎo)致其安全系數(shù)明顯偏低,其中承擔(dān)荷載最大的1號(hào)條帶充填體的安全系數(shù)最低,為2.7。尾砂充填體的安全系數(shù)較大,最高達(dá)到7.6。雖然廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體內(nèi)各組成單元的安全系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,能提供足夠的承載力,但在實(shí)際生產(chǎn)中部分區(qū)域存在過(guò)度充填的問(wèn)題,尤其是尾砂充填體會(huì)造成采場(chǎng)整體成本高、效率低。若僅通過(guò)降低尾砂充填體的力學(xué)強(qiáng)度節(jié)約充填成本,反而會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致廢石充填體安全系數(shù)降低,難以有效保障廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體整體穩(wěn)定。

圖13 廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體安全系數(shù)分布Fig.13 Distribution of safety coefficients of waste rock tailings filling structure

借鑒高應(yīng)力巷道柔性支護(hù)有效調(diào)動(dòng)圍巖自承載能力的理念,可采用基于柔性接頂?shù)牡V巖—廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體應(yīng)力協(xié)調(diào)方法,在廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體頂部充填彈性模量低于廢石充填體的柔性材料。此舉不僅能夠調(diào)動(dòng)圍巖和尾砂充填體的承載能力,而且可以降低廢石充填體所受荷載,改善廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體內(nèi)不均勻承載狀態(tài)。由于柔性材料自身強(qiáng)度低,即使在受壓變形破壞后,也不會(huì)形成明顯的沖擊地壓威脅作業(yè)空區(qū)內(nèi)的人員和設(shè)備安全。結(jié)合曬旗河礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)狀況,選取尾砂膠結(jié)充填骨料作為柔性接頂材料,可無(wú)需另外制備,同時(shí)尾砂接頂體能夠與尾砂充填體形成協(xié)同體,可協(xié)調(diào)廢石充填體上覆頂板和尾砂充填體上覆頂板的變形,尾砂接頂體即使在破壞后形成破碎粉狀體,也不會(huì)造成大塊冒落,可在保證經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全的前提下協(xié)調(diào)廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體與圍巖應(yīng)力。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)廢石尾砂交替充填采場(chǎng)中廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體的不均勻承載問(wèn)題,以宜昌曬旗河礦區(qū)的生產(chǎn)實(shí)際為例,采用與其相匹配的廢石尾砂交替充填法開(kāi)展了大尺寸相似模擬試驗(yàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體及圍巖應(yīng)力和礦體地表沉降值的變化情況,分析了廢石尾砂交替充填采場(chǎng)的應(yīng)力演化規(guī)律,驗(yàn)證了廢石尾砂交替充填法的合理性。

(2)未采礦巖與廢石尾砂充填結(jié)構(gòu)體中各結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均勻受力狀態(tài),廢石充填體因其剛性過(guò)大承擔(dān)頂板施加的絕大部分荷載,尾砂充填體的作用未得到充分發(fā)揮,故僅依靠廢石、尾砂膠結(jié)充填骨料交替充填采空區(qū)不利于采場(chǎng)穩(wěn)定。

(3)通過(guò)借鑒高應(yīng)力巷道柔性支護(hù)有效調(diào)動(dòng)圍巖自承載能力的理念,提出了基于柔性接頂?shù)膽?yīng)力協(xié)調(diào)思路,根據(jù)采場(chǎng)實(shí)際情況選取用于充填的尾砂膠結(jié)充填骨料作為柔性接頂材料,有助于保障采場(chǎng)經(jīng)濟(jì)安全高效運(yùn)行。