石膏礦房柱法開采鏟車道礦柱穩(wěn)定性分析*

李洪,張?chǎng)╂?張雨婷,趙思龍

(山東科技大學(xué) 資源學(xué)院,山東 泰安市 271019)

0 引言

石膏礦目前普遍采用房柱法開采,開采后形成的大面積采空區(qū)上覆巖層主要靠留設(shè)的礦柱來支撐,礦柱的穩(wěn)定性是影響采空區(qū)穩(wěn)定的主要因素之一。近年來,針對(duì)房柱法開采礦柱的穩(wěn)定性,國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作[1-3]。鄭彥濤等[4]通過理論計(jì)算,對(duì)房柱式開采條件下礦柱的承載穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并提出了最優(yōu)的礦柱布置方案。孫萬明[5]結(jié)合礦柱失穩(wěn)機(jī)理,采用極限強(qiáng)度理論和分載面積法等理論計(jì)算方法對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。王萬紅等[6]等運(yùn)用3Dmine與FLAC3D 耦合建立三維數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)房柱式采礦法的采空區(qū)礦柱受力進(jìn)行了分析。李小雙等[7]通過室內(nèi)相似模擬試驗(yàn),對(duì)房柱法開采下礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并優(yōu)化了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文以汶陽石膏礦房柱法開采為工程背景,結(jié)合改用鏟裝工藝后的鏟車道布置方式,采用理論分析和數(shù)值模擬的方法,對(duì)鏟車道礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,從而保證采區(qū)的作業(yè)安全。

1 工程概況

汶陽石膏礦位于泰安市大汶口石膏礦區(qū),石膏賦存條件較好,礦段內(nèi)地層為向斜構(gòu)造,傾角為4°～7°。井田埋深為140～300 m,主采Ⅱ、Ⅲ礦層。Ⅱ礦層分為4個(gè)分礦層,其中Ⅱ-1、Ⅱ-4分礦層較薄,主采Ⅱ-2、Ⅱ-3 分礦層,合層開采,開采厚度為6～11 m,平均厚度為8.6 m,夾層厚度約為1.0 m,主要為泥巖和少許泥灰?guī)r;Ⅲ礦層分為2 個(gè)分礦層,主采Ⅲ-2分礦層,開采厚度為6.5～10 m,平均厚度為8.2 m。Ⅱ、Ⅲ礦層層間距為15～25 m,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,無陷落柱及火成巖侵入。

礦井采用單水平上下山開采,開拓水平為-160 m,沿走向布置有-160 m 水平軌道大巷和-150 m水平總回風(fēng)巷,大巷間距為20 m。開采方法采用房柱法,礦柱連續(xù)布置,各礦層間礦房礦柱重疊對(duì)齊,如圖1 所示。開采基本參數(shù)為:采房設(shè)計(jì)凈寬為4.0 m,凈高為3.0～4.0 m,采房間礦柱寬為5.0 m。采房與回風(fēng)上下山間礦柱為15 m,最外側(cè)采房與軌道上下山間礦柱為20 m。

圖1 采掘礦房布置平面

2 鏟裝道的布置

自建礦以來,汶陽石膏礦采房工作面一直采用耙斗機(jī)耙裝礦石。隨著采裝設(shè)備的進(jìn)步,該礦擬采用裝載效率更高的電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)裝載,而原有的區(qū)段巷道布置方式不適應(yīng)鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)。為了適應(yīng)鏟裝作業(yè)工藝,方便鏟車的出入,提高鏟裝效率,需要增加布置專門的鏟車道。根據(jù)汶陽石膏礦區(qū)房柱式開采的特點(diǎn),鏟車道的布置主要有以下3種方式。

(1) 連續(xù)穿柱布置。鏟車出入切穿區(qū)段平巷保護(hù)礦柱,如圖2(a)所示。運(yùn)用這種方式鏟車出入方便,但鏟車道和區(qū)段平巷間的礦柱尺寸較小。

圖2 鏟車道布置方式

(2) 間隔一個(gè)礦房穿柱布置。鏟車出入間隔一個(gè)礦房切穿區(qū)段保護(hù)礦柱和區(qū)段平巷聯(lián)絡(luò),如圖2(b)所示。這種方式增加了鏟車道和區(qū)段平巷間礦柱的尺寸,但鏟車出入不穿越礦柱的礦房時(shí)需要拐彎折返。

(3) 間隔兩個(gè)及以上礦房穿柱布置。鏟車出入間隔兩個(gè)甚至更多個(gè)礦房切穿區(qū)段保護(hù)礦柱和區(qū)段平巷聯(lián)絡(luò),如圖2(c)所示。這種布置方式進(jìn)一步增加了鏟車道和區(qū)段平巷間礦柱的尺寸,但鏟車出入不穿越礦柱的礦房時(shí),拐彎折返距離更大。

3 鏟車道礦柱穩(wěn)定性理論分析

3.1 鏟車道布置基本參數(shù)

汶陽石膏礦在原區(qū)段平巷的上、下位置分別布置了一條鏟車道,其中區(qū)段平巷的寬度為4 m,高度為3.5 m,鏟車道寬度和高度均為4.5 m。礦井采用房柱法開采,其中礦房寬度為4 m,礦房間的礦柱寬度為5 m,采高4～5 m。Ⅱ礦層和Ⅲ礦層擬采用相同的鏟車道布置方式,對(duì)應(yīng)于3種不同鏟車道布置方式的保護(hù)礦柱尺寸見表1。

表1 鏟車道保護(hù)礦柱尺寸

3.2 鏟車道礦柱受力穩(wěn)定性分析

鏟車道礦柱的穩(wěn)定性由礦柱自身的強(qiáng)度和上覆巖層荷載決定。鏟車道開挖后,鏟車道保護(hù)礦柱受力由三向受力狀態(tài)變?yōu)閱蜗蚴芰顟B(tài),在保護(hù)礦柱單向受力狀態(tài)下,用承載面積理論[8]可以確定鏟車道礦柱的平均應(yīng)力。該理論認(rèn)為,礦柱所承受的荷載由采空區(qū)開挖前礦巖所承受的上覆荷載轉(zhuǎn)移而來;一個(gè)礦柱所支撐的面積范圍,包括位于其上方的巖層和其四周巷道(礦房)跨度一半的頂板巖層。如圖2所示紅色虛線框(顏色區(qū)分見電子版),鏟車道礦柱內(nèi)部的平均應(yīng)力可按下式計(jì)算 :

式中,σP為鏟車道礦柱平均應(yīng)力,MPa;γ為上覆巖層的平均重力密度,取24 k N/m3;H為開采深度,m;a為礦房寬度,m;c為區(qū)段運(yùn)輸平巷寬度,m;d為鏟車道寬度,m;B為鏟車道保護(hù)礦柱寬度,m;L為鏟車道保護(hù)礦柱長(zhǎng)度,m。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)得到鏟車道保護(hù)礦柱內(nèi)部的的平均應(yīng)力,并按照式(2)計(jì)算出保護(hù)礦柱安全系數(shù)Fs,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 鏟車道保護(hù)礦柱受力計(jì)算

式中,Fs為安全系數(shù);SP為鏟車道保護(hù)礦柱抗壓強(qiáng)度,MPa;σP為鏟車道保護(hù)礦柱平均應(yīng)力,MPa。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知,隨著開采深度的增加,鏟車道保護(hù)礦柱內(nèi)部的平均應(yīng)力也逐漸增大,但礦柱內(nèi)部所承受的應(yīng)力值均小于其抗壓強(qiáng)度值。當(dāng)采用第1種鏟車道連續(xù)穿柱的布置方式時(shí),Ⅱ、Ⅲ礦層鏟車道礦柱的安全系數(shù)Fs均小于1.5,有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)采用第2種和第3種鏟車道間隔穿柱的布置方式時(shí),Ⅱ、Ⅲ礦層鏟車道礦柱的安全系數(shù)Fs均大于1.5,表明礦柱均是穩(wěn)定安全的。顯然應(yīng)盡可能地減少或避免采用第1 種連續(xù)穿柱的鏟車道布置方式。

3.3 鏟車道礦柱塑性破壞穩(wěn)定性分析

研究表明,礦柱的應(yīng)力不是平均分布的。礦柱四周邊緣部分,當(dāng)其剛剛暴露時(shí)存在很大的集中應(yīng)力,通常等于原始應(yīng)力的2～4倍甚至更大,從而導(dǎo)致礦柱邊緣部分被破壞,保留殘余強(qiáng)度。隨著礦柱邊緣強(qiáng)度的降低,集中應(yīng)力隨之向礦柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移,使得礦柱側(cè)邊遭受屈服[9-10]。若礦柱尺寸較小,礦柱兩側(cè)屈服區(qū)合而為一,則相互疊加的集中應(yīng)力可能使此礦柱進(jìn)一步破壞而失去承載能力,導(dǎo)致失穩(wěn)。因此,礦柱要保持穩(wěn)定,必須具有足夠的尺寸,使得礦柱中形成兩個(gè)區(qū)域:一個(gè)是礦柱周邊形成的塑性區(qū),另一個(gè)是在礦柱中心部分被塑性區(qū)所包圍未受擾動(dòng)的柱核區(qū)[11]。在塑性區(qū),礦柱遭到不同程度的破壞,產(chǎn)生一定的流變,但由于塑性區(qū)的約束和支撐壓力區(qū)較高的側(cè)壓力的作用,提高了柱核區(qū)的強(qiáng)度,從而使柱核區(qū)基本上處于彈性變形狀態(tài),使得礦柱穩(wěn)定。在柱核區(qū)內(nèi)礦體的強(qiáng)度可以表示為[12]:

式中,σ0為石膏的抗壓強(qiáng)度,MPa;σ3為作用在礦柱上的側(cè)向壓力,MPa;tgβ為三向應(yīng)力系數(shù),tgβ=φ為石膏的內(nèi)摩擦角,(°)。

礦柱塑性區(qū)一側(cè)的寬度[13]為x0:

式中,x0為礦柱塑性區(qū)一側(cè)寬度,m;σb為礦柱周邊的殘余抗壓強(qiáng)度,取單軸抗壓強(qiáng)度σ的0.1 倍,MPa;q y為礦柱原巖應(yīng)力,MPa;Δσ為應(yīng)力集中導(dǎo)致的應(yīng)力增量,MPa;K1為支承壓力峰值處的應(yīng)力集中系數(shù),取2～3;M為采房高度,取4.5m。

為了保持礦柱的穩(wěn)定性,應(yīng)保證有穩(wěn)定的柱核區(qū),即礦柱尺寸[14-15]:

式中,W為礦柱長(zhǎng)度或?qū)挾?m;(1～2)為柱核區(qū)寬度,m。

Ⅱ、Ⅲ礦層主要參數(shù)取值及礦柱尺寸計(jì)算結(jié)果 見表3。

表3 鏟車道礦柱塑性破壞穩(wěn)定性分析

由表3可知,在最大采深情況下,只要保證Ⅱ礦層礦柱長(zhǎng)度或?qū)挾炔坏陀?.9 m,Ⅲ礦層不低于4.48 m,就能保持礦柱的穩(wěn)定性,也就是說鏟車道礦柱長(zhǎng)×寬不低于5 m×5 m。而汶陽石膏礦鏟車道礦柱寬度均為7 m,鏟車道礦柱長(zhǎng)度均不小于5 m。因此,鏟車道礦柱按塑性破壞理論分析是穩(wěn)定的。但顯然第1種布置方式的鏟車道連續(xù)穿柱形成的獨(dú)立礦柱尺寸較小,應(yīng)盡量減少或避免采用。

4 鏟車道礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型建立

選取汶陽石膏礦某礦段建立FLAC3D 數(shù)值計(jì)算模型,如圖3所示。模型X正方向?yàn)檎龞|方向,長(zhǎng)100 m;模型Y正方向?yàn)檎狈较?長(zhǎng)100 m;模型Z正方向?yàn)樨Q直向上方向,高120 m。模型計(jì)算域邊界采取位移約束,即模型底部所有節(jié)點(diǎn)采用X、Y、Z三個(gè)方向的約束,X、Y平面采用Z方向約束,Y、Z平面采用X方向約束。

圖3 汶陽石膏礦某礦段計(jì)算模型

4.2 力學(xué)參數(shù)確定

本模型礦層巖性主要包括泥巖、泥灰?guī)r、頁巖和砂礫巖,模型計(jì)算選取摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型巖體物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 模型的礦巖體力學(xué)參數(shù)

4.3 結(jié)果分析

由于礦房、礦柱重疊布置,且Ⅲ礦層和Ⅱ礦層鏟車道的布置方式相同,因此以Ⅲ礦層為例,對(duì)不同鏟車道布置方式下保護(hù)礦柱的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析,以驗(yàn)證保護(hù)礦柱的穩(wěn)定性。

4.3.1 應(yīng)力分析

3種不同的鏟車道布置方式下保護(hù)礦柱的應(yīng)力云圖如圖4所示。對(duì)比3種鏟車道布置方式下的保護(hù)礦柱受力,可以發(fā)現(xiàn)礦柱內(nèi)應(yīng)力云圖的分布形式類似,它們的共同點(diǎn)是礦柱都受壓應(yīng)力集中,且最大壓應(yīng)力都分布在礦柱的中部。隨著保護(hù)礦柱長(zhǎng)寬比的增大,礦柱所受最大壓應(yīng)力逐漸減小,即第1種鏟車道連續(xù)穿柱的布置方式保護(hù)礦柱內(nèi)部的最大壓應(yīng)力最大,第2種次之,第3種最小。

圖4 不同鏟車道布置方式下保護(hù)礦柱應(yīng)力云圖

4.3.2 位移分析

3種不同的鏟車道布置方式下保護(hù)礦柱的位移云圖如圖5所示。從圖5可以看出,無論采用哪一種鏟車道布置方式,整個(gè)礦段中間部分的保護(hù)礦柱較周圍其他部分礦柱會(huì)出現(xiàn)更大的位移變形。從計(jì)算數(shù)據(jù)來看,3種鏟車道布置方式礦柱的最大下沉量依次為14.2 cm、7.93 cm、6.96 cm。由于采房高度最大為5 m,而3種布置方式的最大下沉量均為10 cm 左右,因此,都不會(huì)產(chǎn)生全部垮落破碎的現(xiàn)象,但第1種鏟車道連續(xù)穿柱的布置方式下沉量最大,約為其他兩種布置方式的兩倍。

圖5 不同鏟車道布置方式下保護(hù)礦柱位移云圖

綜上所述,無論是從應(yīng)力方面還是從位移方面分析,第1種鏟車道布置方式保護(hù)礦柱所承受的壓應(yīng)力和位移的變化量均最大,因此,應(yīng)盡量避免采用第1種連續(xù)穿柱的鏟車道布置方式。此外,3種不同的鏟車道布置方式對(duì)應(yīng)著3種不同的保護(hù)礦柱截面尺寸,隨著鏟車道保護(hù)礦柱長(zhǎng)度的增加,礦柱內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小,位移變形量也逐漸減小。

5 結(jié)論

汶陽石膏礦為了適應(yīng)鏟裝工藝,在區(qū)段平巷兩側(cè)布置鏟車道,在采留比保持在4 m×5 m 的情況下,根據(jù)鏟車道穿柱方式的不同,形成了3種不同的鏟車道布置方式,通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬,對(duì)3種鏟車道布置方式保護(hù)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到以下主要結(jié)論。

(1) 通過對(duì)鏟車道保護(hù)礦柱進(jìn)行受力分析可知,第一種鏟車道布置方式保護(hù)礦柱內(nèi)部的平均應(yīng)力較大,安全系數(shù)較低,穩(wěn)定性較差;第2和第3種鏟車道布置方式穩(wěn)定性較好。

(2) 通過對(duì)鏟車道保護(hù)礦柱進(jìn)行塑性破壞分析可知,第1種布置方式鏟車道連續(xù)穿柱形成的獨(dú)立礦柱尺寸較小,穩(wěn)定柱核區(qū)的范圍也就較小,不利于保持礦柱自身穩(wěn)定。

(3) 對(duì)鏟車道保護(hù)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析表明,第1種鏟車道布置方式相比于第2種和第3種布置方式,其保護(hù)礦柱所受的壓應(yīng)力值最大,位移變形量也最大,穩(wěn)定性最差。