銀山礦深部高應(yīng)力采場(chǎng)回采相似模型試驗(yàn)研究

龍躍

(江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 德興市 334201)

0 引言

地下礦山深部開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在高地應(yīng)力壞境下地壓及開(kāi)采擾動(dòng)存在極大的離散性與不確定性，礦山工程人員在對(duì)深部開(kāi)采的礦體進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮復(fù)雜的地壓管理因素，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)時(shí)存在極大的困難。

為保證深部礦體開(kāi)采設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性及深部礦體回采時(shí)的穩(wěn)定性，需對(duì)深部開(kāi)采過(guò)程中圍巖的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析，獲取開(kāi)采過(guò)程中圍巖的變形與應(yīng)力的變化情況，常用的研究手段有數(shù)值模擬、理論分析、相似模型試驗(yàn)等[1-4]。胡楠[5]綜合運(yùn)用了理論分析、數(shù)值模擬以及室內(nèi)試驗(yàn)等方法，對(duì)三山島金礦西礦區(qū)-1005 m中段在高地應(yīng)力與爆炸沖擊作用下巖體損傷演化規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為礦山深部開(kāi)采設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)；寇永淵等[6]基于 FLAC3D數(shù)值分析對(duì)金川二礦區(qū)深部復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境下的連續(xù)開(kāi)采充填方案下水平礦柱的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析對(duì)比，為水平礦柱的尺寸設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)；蔡美峰[7]對(duì)深部開(kāi)采過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性分析與巖層控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合闡述，指出“等效釋放荷載”理論的重要性；劉允秋等[8]針對(duì)東黃金鑫匯金礦深部高溫、高壓、高應(yīng)力礦體開(kāi)采條件，設(shè)計(jì)上向水平進(jìn)路充填法的參數(shù)。相比于理論分析與數(shù)值模擬研究，相似材料模型試驗(yàn)以相似理論為原則，基于礦山開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)客觀條件構(gòu)建與實(shí)際開(kāi)采條件相似的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，更能直觀地反映圍巖的力學(xué)變形特征與分布規(guī)律[9-11]。

銀山鉛鋅礦經(jīng)過(guò)近五十年的淺孔留礦法開(kāi)采，-150 m中段及其以上中段遺留下大量采空區(qū)，其中，北山區(qū)是地壓顯現(xiàn)最為嚴(yán)重的采區(qū)，-150 m中段以下深部中段開(kāi)采不僅受構(gòu)造控制，同時(shí)，也受到深部地應(yīng)力的控制作用，現(xiàn)場(chǎng)具體表現(xiàn)為采場(chǎng)難以達(dá)到設(shè)計(jì)上采高度，采場(chǎng)進(jìn)路、保護(hù)墩破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致有些采場(chǎng)礦石難以出礦，因此，加強(qiáng)對(duì)深部高應(yīng)力下地壓防治和開(kāi)采方案研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是目前礦山急需解決的問(wèn)題。為優(yōu)化-150 m中段以下深部中段開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，掌握采場(chǎng)開(kāi)展的巖體破壞規(guī)律，對(duì)-195 m中段典型采場(chǎng)的采礦過(guò)程進(jìn)行相似物理模擬，觀察和監(jiān)測(cè)采場(chǎng)模型在開(kāi)挖過(guò)程中巖石的破壞形態(tài)以及巖體的應(yīng)力應(yīng)變及聲波的變化規(guī)律，為試驗(yàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 相似模型試驗(yàn)

1.1 相似模型設(shè)計(jì)

根據(jù)彈性力學(xué)可知，采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中采用平面應(yīng)力分析與平面應(yīng)變分析，所得到的應(yīng)力求解方程是一致的[12-13]，因此試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎闷矫鎽?yīng)力模型對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行模擬，如圖1所示。以-195 m中段典型采場(chǎng)為設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)相似原理，模型設(shè)計(jì)長(zhǎng)0.8 m、寬0.4 m、高1 m，模型框架尺寸設(shè)計(jì)為2.40 m×0.40 m×1.50 m，相似模型的應(yīng)力加載采用千斤頂加載系統(tǒng)。對(duì)于深部開(kāi)采中均質(zhì)巖體，原巖開(kāi)挖會(huì)引起周?chē)鷩鷰r的應(yīng)力重新分布，按照巖石力學(xué)理論的圍巖擾動(dòng)理論，原巖開(kāi)挖的影響范圍約為所開(kāi)挖空間體積的3～5倍[9]，本試驗(yàn)取3倍。

圖1 試驗(yàn)采場(chǎng)模型

1.2 相似模擬材料配比

根據(jù)相似理論[14]及所確定的配比原則和研究目的，模型試塊采用水泥、砂礫、石膏及水的混合物制作而成。試驗(yàn)選取粒徑為0.12～0.2 mm的砂礫做骨料，采用含水率為 6.2%的熟石膏(建筑石膏CaSO4·H2O)和標(biāo)號(hào)為425#的水泥做膠結(jié)材料，厚度為5 mm的粗云母做分層材料，鑒于石膏與水泥在塑形過(guò)程中的凝結(jié)硬化速度較快，試驗(yàn)加入質(zhì)量濃度為1.0%的硼砂作為緩凝劑。模型相似材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料力學(xué)性質(zhì)

1.3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、RSM-SY5聲波測(cè)試儀等綜合監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用上述設(shè)備對(duì)模型在模擬開(kāi)采過(guò)程中礦房應(yīng)力應(yīng)變和圍巖位移以及聲波波速進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示。在相似模型內(nèi)部與表面各布置了 11處應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2（a）、圖2（b）），同時(shí)在模型的內(nèi)部各布置3處聲波監(jiān)測(cè)點(diǎn)與位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2（c）、圖2（d）），監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置與模擬回采礦體的上盤(pán)頂板區(qū)域。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1.4 模型回采方案

參照實(shí)際中礦體的回采順序與回采參數(shù)，在相似試驗(yàn)中礦體自下而上分層回采，單次回采斜長(zhǎng)10 cm（相當(dāng)于實(shí)際高度 4 m），直到采場(chǎng)回采完畢，如圖3所示。

圖3 模擬回采

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

在模型開(kāi)挖后，5號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變最明顯，如圖4所示。由圖4可以看出，在礦體剛進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，5號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值出現(xiàn)略微的增高，當(dāng)回采至礦體模型斜長(zhǎng) 30 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度11.6 m）時(shí)，應(yīng)力增加達(dá)到第一處峰值，之后隨著礦體模型開(kāi)采高度的增加而逐漸降低，表明在開(kāi)采初期階段，礦體開(kāi)采上盤(pán)圍巖出現(xiàn)局部拱頂效應(yīng)，致使上盤(pán)圍巖應(yīng)力疊加造成短期的壓應(yīng)力集中，出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)變；在隨后的開(kāi)采過(guò)程中，上盤(pán)圍巖的壓應(yīng)力得到逐漸的釋放，頂板壓力隨著開(kāi)采斜長(zhǎng)的增加向四周擴(kuò)散，圍巖局部應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，直到回采至斜長(zhǎng)50 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度22.3 m）時(shí)應(yīng)力降低到最低值。隨后，隨著礦體的開(kāi)采應(yīng)力呈現(xiàn)快速增加區(qū)域，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，直到礦體上盤(pán)破壞為止。

圖4 5號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變

2.2 位移分析

位移測(cè)點(diǎn)變化曲線如圖5所示，在礦體回采至斜長(zhǎng)60 cm之前（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度25.7 m），1號(hào)、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)得到的位移數(shù)值并未產(chǎn)生較大的變化，表明下礦體上下盤(pán)位置仍處于穩(wěn)定的狀態(tài)。但礦體開(kāi)采至斜長(zhǎng)60 cm之后，1號(hào)、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移數(shù)值隨著開(kāi)采高度的增加而迅速增大，結(jié)果表明當(dāng)試驗(yàn)采場(chǎng)模型回采到斜長(zhǎng)60 cm時(shí)，礦體圍巖出現(xiàn)明顯的應(yīng)力位移現(xiàn)象，其頂板圍巖開(kāi)始呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 聲波監(jiān)測(cè)分析

測(cè)點(diǎn)聲波變化曲線分析如圖6所示，隨著回采高度的增加，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)得到的縱波波速出現(xiàn)短暫的上升后，在回采高度繼續(xù)增加時(shí)，縱波波數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；在礦體模型開(kāi)挖后，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)得到的縱波波速逐漸增高，當(dāng)試驗(yàn)的礦體模型回采至斜長(zhǎng)25 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度11.7 m）時(shí)，縱波數(shù)值達(dá)到峰值并趨近于穩(wěn)定，當(dāng)?shù)V體模型回采至斜長(zhǎng)90 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度38.5 m）時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)得到的縱波波速迅速降低；3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)得到的縱波波速隨著回采高度的變化而出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。主要原因是在模型回采的初始階段，礦體圍巖仍然處于緊密狀態(tài)，使得縱波波速上升，隨著礦體模型回采距離的增加，圍巖逐漸失穩(wěn)，回采后期礦體時(shí)圍巖開(kāi)始被破壞，造成縱波波速的降低。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲波波速變化曲線

2.4 模型破壞分析

試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)V體模型開(kāi)采至斜長(zhǎng)90 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度38.5 m）時(shí)，在礦體模型的上盤(pán)頂板區(qū)域出現(xiàn)圍巖冒落現(xiàn)象，出現(xiàn)冒落的主要原因是隨著礦體開(kāi)采高度的增加，采場(chǎng)上盤(pán)頂板的臨空面面積逐漸超過(guò)了采場(chǎng)的極限暴露面積，上盤(pán)頂板隨著頂板應(yīng)力變化而發(fā)生應(yīng)力集中，從而發(fā)生頂板破壞現(xiàn)象。從試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，急傾斜結(jié)構(gòu)巖層的上盤(pán)頂板主要是沿礦體的走向方向發(fā)生垮落破壞。

此外，當(dāng)?shù)V體模型回采到70 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度30.4 m）時(shí)，在采場(chǎng)模型正上方及礦體上盤(pán)沿礦體傾向方向各出現(xiàn)一條長(zhǎng)約10 cm的裂紋。其主要原因是由于礦體模型內(nèi)部存在的片理結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)擴(kuò)展破壞，隨著采場(chǎng)開(kāi)采高度的增加，結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展長(zhǎng)度也逐漸增加，當(dāng)?shù)V體模型回采到80 cm（相當(dāng)于實(shí)際垂直高度35 m）時(shí)，破壞區(qū)域的片理結(jié)構(gòu)面繼續(xù)迅速向上擴(kuò)展，隨著裂紋寬度擴(kuò)展到0.3 cm時(shí)，礦體模型的上盤(pán)圍巖開(kāi)始發(fā)生垮落破壞。

相似模擬試驗(yàn)研究結(jié)果表明，片理結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展破裂是造成采場(chǎng)失穩(wěn)的主要原因，其破壞主要以巖體片理結(jié)構(gòu)失穩(wěn)為主，其次是類(lèi)巖石材料的破壞，同時(shí)存在片理結(jié)構(gòu)的采場(chǎng)圍巖在回采過(guò)程的變形和破壞主要發(fā)生在礦體模型頂、底板區(qū)域。根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，建議在采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)在5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處（距采場(chǎng)底板28 m）預(yù)留礦柱，以控制采場(chǎng)頂板的巖層移動(dòng)。

3 結(jié)論

（1）開(kāi)展了銀山鉛鋅礦-195 m中段典型采場(chǎng)的開(kāi)采相似模型試驗(yàn)，根據(jù)相似原則對(duì)典型采場(chǎng)尺寸進(jìn)行等比例縮放，構(gòu)建了采場(chǎng)的相似模型，為了檢測(cè)模擬開(kāi)采相似試驗(yàn)過(guò)程中模型應(yīng)力與位移的變化情況，在圍巖內(nèi)部及表面布置了應(yīng)力、應(yīng)變、位移及聲波監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）分析了相似采場(chǎng)模型開(kāi)采過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及聲波的變化，得到了采場(chǎng)開(kāi)采破壞的基本力學(xué)特征。

（3）通過(guò)相似模擬試驗(yàn)研究表明，片理結(jié)構(gòu)裂紋的壓張破裂是造成采場(chǎng)失穩(wěn)的主要原因，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，建議在采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中可在距底板28 m位置處預(yù)留礦柱，以控制采場(chǎng)頂板的巖層移動(dòng)。