李學(xué)鋒,徐必根,唐紹輝,郭 葵,鄭榮祥

(1.廣西大學(xué), 廣西南寧 530004;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;3.紹興平銅集團(tuán)公司, 浙江紹興市 312050)

大型復(fù)雜群空區(qū)下采場穩(wěn)定性分析

李學(xué)鋒1,徐必根2,唐紹輝2,郭 葵3,鄭榮祥3

(1.廣西大學(xué), 廣西南寧 530004;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;3.紹興平銅集團(tuán)公司, 浙江紹興市 312050)

紹興銅都礦業(yè)有限公司由于長期采用分段空場法回采,導(dǎo)致在-385m水平以上存在52萬m3的復(fù)雜采空區(qū)群,出現(xiàn)了采場垮塌、地表塌陷等嚴(yán)重地壓現(xiàn)象,對深部開采安全已造成嚴(yán)重威脅。為此,在礦山巖體工程地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用三維彈塑性有限元正交試驗(yàn)方法、極限分析法和彈性力學(xué)小變形薄板理論等多種巖石力學(xué)理論方法,分析計(jì)算分段空場法采場的穩(wěn)定性,評價(jià)和預(yù)測了分段空場法采場和礦柱的力學(xué)行為和破壞特征,為深部采場提供了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),有效指導(dǎo)了試驗(yàn)采場6.4萬t礦量的安全回采。

群空區(qū);采場穩(wěn)定性;三維彈塑性有限元法;正交試驗(yàn);理論分析

0 前 言

應(yīng)用房柱法、全面法、留礦法等空場法采礦的礦山,若不及時(shí)處理采空區(qū),當(dāng)采空區(qū)體積達(dá)到一定數(shù)量時(shí),就有可能發(fā)生大規(guī)模突然冒落等地壓災(zāi)害,造成人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失[1,2]。地下采空區(qū)除在特定條件下可以用永久性礦柱支撐并永久保留外,通常都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行處理,其目的在于消除空區(qū)。20世紀(jì)50～60年代后,除非要長期保留和應(yīng)用地下空間[3,4],國外一般不留下采空區(qū)等待專門處理。由于種種原因,目前我國礦山已存在著4.3億m3以上未處理采空區(qū)[2],有的已危及安全生產(chǎn)。大型復(fù)雜群空區(qū)條件下的巖層控制技術(shù),是我國非煤地下礦山普遍存在且特有的一類采礦技術(shù)難題[5]。

紹興銅都礦業(yè)有限公司是一個(gè)年采礦20萬t的中型礦山,自1970年建成投產(chǎn)以來,采礦方法主要為有底柱分段礦房法。由于長期采用空場法開采,-385m以上中段存在大小不一、形狀各異、上下重疊與錯(cuò)位的100多個(gè)采空區(qū)群,總量約52萬m3。自1977年10月開始出現(xiàn)地壓活動以來,已造成地表塌陷、采場頂?shù)装蹇逅葒?yán)重事故;最近發(fā)生的一次強(qiáng)烈地壓活動是2004年1′03采場發(fā)生頂柱垮塌,造成-335m中段以上的空區(qū)直通地表,大量的廢石、廢渣填充井下,淹埋部分井巷,對礦山安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。目前礦山正在實(shí)施的三期工程開采標(biāo)高為-625m,開采深度達(dá)到640m左右,中段高度也由原來的50m,提高到了60m,并且將繼續(xù)沿用空場采礦法。由于受充填材料的限制,采空區(qū)的充填只能采用廢石,且無法保證充填所有空區(qū),地表又不容許大范圍陷落。災(zāi)害性大型復(fù)雜群空區(qū)誘發(fā)的嚴(yán)重地壓問題已成為制約礦山安全、高效開采的首要問題。

1 三維彈朔性有限元模擬分析

礦山工程的穩(wěn)定是個(gè)動態(tài)穩(wěn)定問題,貫穿于礦山生產(chǎn)及建設(shè)的始終,局部或整體的失穩(wěn)都與復(fù)雜的工程和地質(zhì)因素有關(guān),因此礦山工程的穩(wěn)定性評價(jià)是一個(gè)十分復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)工程問題[6～10]。結(jié)合分段空場法的特點(diǎn),基于沿硐周釋放荷載法的計(jì)算思路,在地質(zhì)條件、巖體強(qiáng)度及充填材料力學(xué)性質(zhì)一定的條件下,對不同的開采方案進(jìn)行數(shù)值模擬,對各方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析、比較,使礦柱和圍巖的應(yīng)力、位移狀態(tài)有利于采場的穩(wěn)定性。采用三維彈塑性有限元法作為研究手段,所用軟件為3D-σ三維彈塑性有限元程序。下面以-385m中段806′采場為例進(jìn)行分析。

1.1 模擬方案

根據(jù)礦床開采技術(shù)條件和分段空場采礦法的特點(diǎn),采場沿礦體走向布置,礦房長度50m,中段高度50m,可改變的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為間柱的寬度與頂柱的厚度,考慮到巖體力學(xué)參數(shù)(如彈性模量)的影響,則分段空場采礦法采場穩(wěn)定性的影響因素主要有3個(gè)。穩(wěn)定性計(jì)算中的主要影響因素與水平取值見表1。根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理,選用4因素3水平正交表L9(34)來安排試驗(yàn),共安排9個(gè)試驗(yàn)方案。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算中的主要影響因素與水平取值

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)

依據(jù)巖塊力學(xué)參數(shù)特性測試結(jié)果,并考慮巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、地下水、節(jié)理裂隙等因素,按照Bieniawski的RMR巖體質(zhì)量分類法進(jìn)行修正,利用加拿大Rocscience公司開發(fā)的Roclab1.0軟件,對礦體、千糜巖、蝕變花崗巖、碎屑熔巖進(jìn)行巖體物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算,確定計(jì)算模型所采用的一般狀態(tài)下的巖體力學(xué)參數(shù)見表2。而加強(qiáng)狀態(tài)和削弱狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)則是在正常狀態(tài)下增大或減少1/4力學(xué)強(qiáng)度。

表2 一般狀態(tài)下礦巖介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

1.3 力學(xué)模型與邊界條件

根據(jù)平水礦床工程地質(zhì)、礦體幾何形態(tài)及分段空場法的特點(diǎn),為模擬大型復(fù)雜空區(qū)下的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對采場穩(wěn)定性的影響,以紹興銅都礦業(yè)有限公司提供的礦區(qū)各中段地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖為建模的基礎(chǔ)資料。計(jì)算模型范圍x=450m(垂直礦體走向方向),y=+35～-745m(共780m),z=2100 m(沿礦體走向方向)。

采用最大拉應(yīng)力判據(jù),結(jié)合Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則來確定礦體開采的應(yīng)力、位移、可能出現(xiàn)的破壞范圍、最大裂隙帶高度等,以此來確定紹興銅都礦業(yè)有限公司采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.4 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

空場法采礦要求在開采過程中留設(shè)具有長期強(qiáng)度的礦柱支撐采空區(qū)頂板,基本出發(fā)點(diǎn)是間柱和頂柱要有足夠的尺寸,它取決于地質(zhì)條件、開采深度、礦房尺寸、采場平面布置與空間布局,以及對地面變形的要求等[11]。因此主要考察間柱、頂柱的應(yīng)力狀態(tài),以及采后廢石充填高度對采場穩(wěn)定性的影響。

1.4.1 頂柱應(yīng)力狀態(tài)及破壞域分析

806′采場回采完成后,頂柱上的主應(yīng)力σ1、σ2和σ3均為拉應(yīng)力,拉應(yīng)力過大是頂柱產(chǎn)生塑性破壞的主要原因。頂柱破壞域分布隨頂柱厚度變化關(guān)系見圖1。模擬結(jié)果表明,影響頂柱穩(wěn)定性的最主要因素為頂柱的厚度,巖體力學(xué)參數(shù)次之。隨著頂柱厚度的增加,頂柱上的主應(yīng)力也隨之下降,塑性破壞區(qū)范圍縮小,直到消失。在擬定的模擬方案組合中,最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為頂柱厚度9m,間柱寬10m。

圖1 頂柱破壞域分布隨頂柱厚度變化關(guān)系

1.4.2 間柱應(yīng)力狀態(tài)分析

兩側(cè)采場回采后,間柱所處應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,最大拉應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱兩端靠近頂、底柱處;最大壓應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱下端靠近底柱處;最大剪應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱下端靠近底柱處。剪應(yīng)力過大是間柱產(chǎn)生塑性破壞的主要原因。

影響間柱穩(wěn)定性的最主要因素為間柱寬度,礦巖強(qiáng)度次之。在擬定的模擬方案組合中,最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為頂柱厚度7m、間柱寬6m并加固礦柱使其強(qiáng)度增大的方案。

1.4.3 廢石充填高度對采場穩(wěn)定性的影響

806′采場頂柱、間柱在不同廢石充填高度下的應(yīng)力狀態(tài)見表3。

由表3可知,采場充填高度達(dá)到1/3時(shí),間柱的應(yīng)力狀態(tài)明顯得到改善,其中σ1最大值由4.447 MPa下降為2.061MPa,下降了54%;σ3最大值由30.169MPa下降為19.841MPa,下降了34%;τyz最大值由8.999MPa下降為6.727MPa,下降了25%;τxz應(yīng)力值大小雖然沒有變化,但應(yīng)力極值范圍有所縮小;因此采空區(qū)充填是控制采空區(qū)塌陷與垮落的有效手段。但隨著充填高度的繼續(xù)增加,間柱的應(yīng)力狀態(tài)并未得到進(jìn)一步的改善,只有當(dāng)充填完全接頂時(shí),頂柱的應(yīng)力狀態(tài)可得到明顯改善;但對廢石充填工藝來說,難以實(shí)現(xiàn)。

表3 806′采場采后不同廢石充填高度下的應(yīng)力狀態(tài)

2 采場穩(wěn)定性理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 采場穩(wěn)定性理論分析

2.1.1 礦房間柱穩(wěn)定性理論分析

礦房間柱形狀及尺寸的選擇需要考慮采場的穩(wěn)定性和礦石回收率的高低,從維護(hù)采場穩(wěn)定性方面考慮,房間礦柱的間距應(yīng)小于極限跨度,間柱本身橫斷面尺寸應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。如果個(gè)別礦柱尺寸過小,一旦被壓垮,勢必使采場實(shí)際跨度過大而導(dǎo)致冒頂,與此同時(shí)覆巖壓力轉(zhuǎn)移到其它相鄰礦柱上,也可能迫使這些礦柱破壞,引起連鎖反應(yīng)。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果及-385m中段806′采場的實(shí)際情況,采用歐洲最常用的正方形礦柱和有限長度的長方形礦柱的設(shè)計(jì)公式——?jiǎng)P格爾(K.Kegel)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式[12]進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性分析計(jì)算。結(jié)果表明,采場礦房寬:8線左側(cè)808′采場Wo=42m,6′線左側(cè)806′采場Wo=43m,6′線右側(cè)606′采場Wo=44m,取平均寬度Wo=43m,采場高h(yuǎn)=34m,采場間柱寬:6′線Wp=6m,8線Wp=8m。平均采深H=360m,平均容重γ=1700kg/m3,礦巖強(qiáng)度σc=179.7MPa。

采用凱格爾(K.Kegel)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式時(shí),806’采場8線間柱8m寬時(shí),安全系數(shù)為1.79,6′線間柱6 m寬時(shí)的安全系數(shù)為1.21;1.21的安全系數(shù)雖可保證回采期間的穩(wěn)定,但由于留設(shè)的房間礦柱需要長期負(fù)載以保護(hù)礦房頂柱的穩(wěn)定性,容許的安全系數(shù)應(yīng)大于1.5,因此,礦房回采后必須對其進(jìn)行充填,以減少礦柱的暴露高度,達(dá)到增加穩(wěn)定性的目的。根據(jù)礦柱安全系數(shù)計(jì)算公式,空區(qū)充填高度與6m間柱安全系數(shù)關(guān)系見圖2。

圖2 806’采場的6’線間柱暴露高度與安全系數(shù)的關(guān)系

由圖2可知:為確保采場的穩(wěn)定和開采安全,建議該采場的廢石充填高度為15m以上。

2.1.2 采場頂柱穩(wěn)定性分析

為了保證回采時(shí)的安全,減少礦石的損失貧化,必須科學(xué)合理地確定采場頂柱安全厚度[13]。評價(jià)采空區(qū)頂柱穩(wěn)定性必須分析兩個(gè)因素,一是內(nèi)在因素,包括頂柱的厚度、跨度、形態(tài)及巖體的工程特性指標(biāo)等;二是外在因素,包括采場的回采順序、爆破震動影響等。綜合來說,影響采空區(qū)頂柱的穩(wěn)定因素主要有4個(gè)方面,即頂柱的完整程度、頂柱形態(tài)(水平或拱形)、頂柱的厚度及跨度。

2.1.2.1 基于極限分析法的頂柱安全厚度

根據(jù)文獻(xiàn)[13]基于極限分析法的頂柱安全厚度計(jì)算分析公式試算結(jié)果(按四周固支和三固一簡約束形式計(jì)算頂柱巖層安全厚度)和采礦方法設(shè)計(jì)方案,在806′采場長度為43m,不同的采場跨度(礦體厚度)情況下,采場頂柱安全厚度與采場跨度的關(guān)系見圖3。

圖3 頂柱安全厚度與采場跨度的關(guān)系

從最安全、保守的角度考慮,取采場頂柱礦體的平均厚度為13m時(shí),頂柱的安全厚度應(yīng)當(dāng)大于9.5 m(含-335m中段有效底柱高度1.2m)。

2.1.2.2 基于小變形薄板理論的頂柱安全厚度

礦山開采是在三維空間中進(jìn)行的,采用空場法開采的礦體采出后,懸空頂柱由間柱和上下盤圍巖支撐,并在礦房上方形成具有某種邊界約束的三維板狀結(jié)構(gòu)[13]。采場頂柱穩(wěn)定性狀況可以通過板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行分析[13]。根據(jù)彈性理論,求得礦房頂柱中的最大主應(yīng)力為:σ1=1.91(＜2.03)MPa,σ2=0.67(＜2.03)MPa,τmax=0.62(＜5.96)MPa。

計(jì)算結(jié)果表明,礦房頂柱中產(chǎn)生的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)和最小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)均小于礦體的抗拉強(qiáng)度。礦房頂柱最大剪應(yīng)力小于下盤千糜巖的抗剪強(qiáng)度,不會產(chǎn)生剪切破壞。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)三維彈塑性有限元模擬正交試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果,-385m中段806′采場現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)采用的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為:頂柱厚度為9m(不含-335m中段有效底柱高度1.2m);8線間柱寬度為8 m,6′線間柱寬度為6m。并在開采過程中,采取了如下相應(yīng)的技術(shù)措施來保證回采安全與采空區(qū)的穩(wěn)定:

(1)在進(jìn)行采場設(shè)計(jì)時(shí),保證上下中段各采場的間柱位置上下對應(yīng);在靠近間柱和頂柱時(shí),采取相應(yīng)的控制爆破措施,減少對礦柱、頂柱的爆破振動破壞和超挖,以維護(hù)礦柱、頂柱的完整性、保證礦柱的尺寸大小和直立度;

(2)在沒有采取有效的充填措施時(shí),嚴(yán)禁開挖礦柱,并且嚴(yán)禁在礦柱內(nèi)施工人行天井等工程;

(3)對采場上下盤圍巖、頂柱和間柱采取相應(yīng)的支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù);

(4)及時(shí)封閉通往采空區(qū)的通道,防止井下泥石流和空氣沖擊波的危害。

到2008年底,-385m中段806′采場共回采礦量64059t,沒有出現(xiàn)一例安全事故,取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

通過三維彈塑性有限元法數(shù)值模擬正交試驗(yàn)、理論分析計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn),評價(jià)和分析了大型復(fù)雜空區(qū)下分段空場采礦法采場和礦柱的力學(xué)行為和穩(wěn)定性,優(yōu)化了采場結(jié)構(gòu)參數(shù),得到了如下重要結(jié)論:

(1)分段空場采礦法采場回采完成后,頂柱上的主應(yīng)力σ1、σ2和σ3均為拉應(yīng)力,拉應(yīng)力過大是頂柱產(chǎn)生塑性破壞的主要原因。影響頂柱穩(wěn)定性的最主要因素為頂柱的厚度,巖體力學(xué)參數(shù)次之。隨著頂柱厚度的增加,頂柱上的主應(yīng)力也隨之下降,塑性破壞區(qū)范圍相應(yīng)縮小,直到消失。

(2)分段空場法采場回采后,間柱所處應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,最大拉應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱兩端靠近頂、底柱處;最大壓應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱下端靠近底柱處;最大剪應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在間柱下端靠近底柱處。剪應(yīng)力過大是間柱產(chǎn)生塑性破壞的主要原因。影響間柱穩(wěn)定性的最主要因素為間柱寬度,巖體力學(xué)參數(shù)次之。增加間柱穩(wěn)定性的措施為加固間柱和采后立即充填以減少礦柱的暴露高度。

(3)分段空場法采場回采后及時(shí)充填是控制采空區(qū)垮落的有效手段。隨著廢石充填高度的增加,間柱的應(yīng)力狀態(tài)得到明顯的改善。當(dāng)采場充填高度達(dá)到1/3時(shí),間柱中σ1max下降54%,σ3max下降34%;因此廢石充填高度應(yīng)超過1/3。

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2010-03-25)

李學(xué)鋒(1965-),博士,教授,第六屆中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會委員,主要從事采礦與巖石力學(xué)教學(xué)和科研工作,Email:lixfcshncn@126.com。