李德賢,彭府華

(1.金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院礦山分院, 甘肅金昌市 737100;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

金川礦山兩體巖石力學(xué)問題初探

李德賢1,彭府華2

(1.金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院礦山分院, 甘肅金昌市 737100;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

金川二礦區(qū)深部采場面積將達(dá)到 10萬 m2,埋深將接近 1000 m,深部采場圍巖及充填體的穩(wěn)定性成為當(dāng)前的核心問題。針對由充填法開采引起的地表移動(dòng)、變形和破壞等問題,分析了大量充填體形成的“人工巖體”、“空殼體”與天然地質(zhì)體之間的性質(zhì)差異及其相互作用機(jī)理,借鑒兩體力學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果,提出了金川礦山深部開采面臨的兩體巖石力學(xué)問題。

金川礦山;充填體;地質(zhì)體;兩體力學(xué)模型;巖體移動(dòng)

0 引 言

于潤滄院士認(rèn)為,在世界范圍內(nèi),金川二礦區(qū)(主要指 1#主礦體)的開采難度是非常大的。從二礦區(qū)礦體的特點(diǎn)和當(dāng)時(shí)滿足國家對鎳的需求來看,采用機(jī)械化下向膠結(jié)充填法開采是最佳選擇。但是對礦體平均厚度近百米、水平面積達(dá) 10萬 m2的礦體全面采用下向充填法,在世界上還沒有先例。

目前,金川二礦區(qū)采用下向分層膠結(jié)充填采礦法開采,開采后充填體面積已由 5萬m2擴(kuò)大到近 10萬 m2,懸頂充填體約 1000萬 m3。1998年地表發(fā)現(xiàn)張裂縫,采空區(qū)沉降,出現(xiàn)巖移,且隨著開采規(guī)模和生產(chǎn)能力的擴(kuò)大,采場巖移日趨加劇,目前二礦區(qū)地表已發(fā)現(xiàn)的地裂縫明顯者共 40余條,形成一個(gè)巨大的沉降盆地,從 2001年 5月到 2006年的 12月,在地表利用 GPS測得的最大沉降中心的沉降速度為每半年 83 mm,累計(jì)最大下沉量達(dá) 883 m,致使 14行風(fēng)井于 2005年 3月發(fā)生劇烈垮冒。

一般認(rèn)為采用充填采礦法開采的礦山巖移問題不嚴(yán)重,甚至不會(huì)產(chǎn)生巖移問題。然而金川實(shí)踐表明:即使是采用充填強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填法開采也已引起地表較大范圍的巖體發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞。隨著地下開挖的深度和規(guī)模不斷擴(kuò)大,充填體的大量存在,勢必導(dǎo)致大范圍的巖體移動(dòng)、變形和破壞問題,對礦區(qū)的整體穩(wěn)定性及豎井安全形成威脅。

1 兩體巖石力學(xué)問題的提出

1.1 充填體與地質(zhì)體問題

經(jīng)過數(shù)十年的開采,金川二礦區(qū)已經(jīng)形成巨大的地下充填體系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 金川二礦區(qū)開采典型剖面

充填體實(shí)際上是一種大體積“人工巖體”,是大尺度的人工構(gòu)筑的地下受力結(jié)構(gòu),一方面承擔(dān)采空區(qū)上下盤和頂板傳遞來的地應(yīng)力作用,同時(shí)還要擔(dān)負(fù)其自重力的作用。而俗稱的巖體是“地質(zhì)體”,有著地質(zhì)構(gòu)造特征,其工程性質(zhì)受到地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)力和自身性質(zhì)的影響。為了敘述方便,在隨后的說明中將人工充填體稱為“人工巖體”,只有在需要區(qū)分的時(shí)候使用“人工巖體”或“充填體”的稱謂。

金川礦山大量充填體的存在改變了采場圍巖自身的應(yīng)力大小和狀態(tài),勢必影響圍巖的自穩(wěn)、變形和破壞。在一個(gè)大范圍的地質(zhì)體中有無這種充填體,其一系列變形破壞規(guī)律將有著巨大的差異。同時(shí),在下向開采的過程中,如果開采暴露的充填體面積過大,則這種充填體就成為典型的垂懸梁板結(jié)構(gòu),將是更加復(fù)雜的一種力學(xué)機(jī)制。

1.2 “空殼體”與地質(zhì)體問題

自金川二礦區(qū)投產(chǎn)以來,采出的礦石量大于 2億 t,掘進(jìn)巷道、硐室等約 10萬 m,形成的采空區(qū)約850萬 m3。雖然對絕大部分采空區(qū)進(jìn)行了充填,但仍有許多廢棄巷道、硐室以及部分冒頂采場未能充填。據(jù)統(tǒng)計(jì),這些未充填的采空區(qū)體積約為 17萬m3,占總采空區(qū)的 2%。充填過程中各層充填體之間的不接頂現(xiàn)象導(dǎo)致的空區(qū)也不容忽視,約占整個(gè)采空區(qū)的 3%左右,即整個(gè)開挖空間至少有 5%是最終沒有充填的空置區(qū),空置區(qū)體積約為 43萬 m3,因此在礦區(qū)形成了巨大的“空殼體”。

另一方面,目前二礦區(qū)進(jìn)入了深部開采,地壓較大,再加上巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,大量采空區(qū)的存在給空區(qū)周圍巖體的移動(dòng)和變形破壞提供了空間,再者“空殼體”的存在,改變了充填體與圍巖接觸面的力學(xué)機(jī)制,影響了充填體和圍巖體應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑,同時(shí)吸收了圍巖部分應(yīng)變能,致使在礦山穩(wěn)定性分析中不確定因素增加,造成分析結(jié)果失真。

1.3 兩體巖石力學(xué)問題核心

充填體、“空殼體”和地質(zhì)體三者在受力、變形及自身性質(zhì)中的巨大差別,勢必導(dǎo)致其在破壞和變形方面的不一致性和不協(xié)調(diào)性。同時(shí),這三者之間存在耦合作用的力學(xué)和變形機(jī)理。其相互作用的關(guān)鍵在于三者之間的接觸面或接觸部位的力學(xué)行為(這其中先不考慮充填體內(nèi)部分層離析形成滑動(dòng)和“空殼體”的情況)。金川礦山屬于高應(yīng)力礦山,那么充填體、“空殼體”和地質(zhì)體三者在高應(yīng)力情況下的相互作用機(jī)理就成為金川礦山巖移規(guī)律分析的難點(diǎn),特別是動(dòng)態(tài)相互作用主要依靠接觸面?zhèn)鬟f應(yīng)力和位移,是巖移分析和治理的關(guān)鍵。

假設(shè)充填體和圍巖體接觸面接觸良好,兩種材料相互作用時(shí),其相互作用力學(xué)也十分復(fù)雜。而目前金川礦山分析礦山穩(wěn)定性時(shí),仍然是把充填體和地質(zhì)體視為一體進(jìn)行計(jì)算分析,材料參數(shù)按照實(shí)際取不同值。這種分析方法在力學(xué)上稱之為“一體兩介質(zhì)”分析法,這種分析法對 2種材料之間剛度和強(qiáng)度相接近、完全粘結(jié)的情況是適用的。但對充填體和地質(zhì)體這 2種性質(zhì)差別巨大的材料進(jìn)行這樣的分析,顯然不能揭示其本質(zhì),容易導(dǎo)致結(jié)果失真,從而在礦山穩(wěn)定性分析和判別時(shí)對問題認(rèn)識不清,造成嚴(yán)重的后果。充填體、“空殼體”與地質(zhì)體之間的受力變形關(guān)系,或者三者耦合作用下受力變形機(jī)理這就是本文提出的金川礦山“兩體巖石力學(xué)”問題。

2 充填體和地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)差異

金川礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為主,局部為塊狀結(jié)構(gòu);由于經(jīng)歷了呂梁運(yùn)動(dòng)以來的各次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),留下了以斷裂為主的構(gòu)造形跡,大小斷裂縱橫交錯(cuò),斷層、節(jié)理十分發(fā)育。同時(shí)就巖體“結(jié)構(gòu)性”而言,其地質(zhì)缺陷具有高度的隱蔽性、不確定性和時(shí)空變異性。力學(xué)性質(zhì)上呈各向異性,且地應(yīng)力、地溫、地下水等因素對其物理力學(xué)性質(zhì)影響很大;巖塊強(qiáng)度非常高,巖塊單軸干燥抗壓強(qiáng)度一般大于 50 MPa,但巖體強(qiáng)度低,抗剪和抗拉能力較弱,蠕變量大。

人工巖體 (充填體):主要由建筑材料人工配合而成,骨料可就地取材,如天然砂礫、爐渣、尾砂或碎磨砂、石等;力學(xué)性質(zhì)上呈近似各向同性,強(qiáng)度受配合比影響巨大;金川礦山充填體 28 d齡期時(shí)強(qiáng)度為5 MPa左右。

充填體相對地質(zhì)體而言,其強(qiáng)度低,但塑性則要比巖體大很多,這一“軟”一“硬”可以比喻為“夾心餅干”。充填體在塑性變形和破壞時(shí)可以吸收和耗費(fèi)更多的能量,用以克服產(chǎn)生的塑性變形,因此充填體和巖體在阻抗變形上其差距巨大,不可能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形,同時(shí)“軟”的充填體對硬的巖體變形提供了變形空間,加大了礦區(qū)巖移程度。

3 充填體和地質(zhì)體的相互作用機(jī)理

目前國內(nèi)外對充填體與圍巖體力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,Brown.ET和 Brady.B.H.G提出了 3種作用機(jī)理:充填體對圍巖的表面支護(hù)作用、充填體對圍巖的局部支護(hù)作用及充填體的總體支護(hù)作用。北京科技大學(xué)的于學(xué)馥教授對金川二礦區(qū)的充填問題進(jìn)行了研究,認(rèn)為充填體作用機(jī)理主要表現(xiàn)在以下 3方面:一是應(yīng)力轉(zhuǎn)移和吸收作用,充填體充入采空區(qū)后,開始是不受力的,隨著充填體強(qiáng)度的提高具備了轉(zhuǎn)移地應(yīng)力和吸收應(yīng)力的能力,從而形成了對圍巖體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和吸收作用機(jī)理;二是應(yīng)力隔離作用,包括隔離水平應(yīng)力、隔離垂直應(yīng)力;還有系統(tǒng)的共同作用。充填體進(jìn)入采空區(qū)后,由于充填體、地應(yīng)力、圍巖、開挖等共同作用,特別是開挖系統(tǒng)的自組織機(jī)能,抑制了圍巖的變形破壞,減緩了圍巖能量的耗散速度,使得礦山結(jié)構(gòu)和圍巖破壞的發(fā)展得到了控制,防止了無阻擋的自由破壞塌落的發(fā)生。

從以上的研究成果分析可見充填體對采場圍巖直接的支護(hù)作用,主要是維護(hù)采場圍巖的自身強(qiáng)度和支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力,限制空區(qū)圍巖移動(dòng)等多種方式來阻止和限制圍巖發(fā)生移動(dòng)和變形,防止采場或巷道的整體失穩(wěn)或局部垮落。

但從金川礦山的實(shí)際來看,由于采礦活動(dòng)對圍巖的持續(xù)反復(fù)擾動(dòng),充填體作為擾動(dòng)地質(zhì)體中的填補(bǔ)物,只是降低了圍巖體發(fā)生變形的幅度,而沒有限制圍巖變形。若表層圍巖沒有破壞,巖體自身承載性能得以維持,就不會(huì)失穩(wěn)。充填體就是維持巖體表層的完整,使其破壞不向縱深發(fā)展,是以施加固壓的方式維持了原巖的完整性,調(diào)動(dòng)原巖自承能力支撐地壓,并非靠自身強(qiáng)度硬性抵抗圍巖活動(dòng)。但是隨著金川礦山采礦活動(dòng)向縱深發(fā)展,尤其 2000年二礦地表發(fā)現(xiàn)張裂縫開始,標(biāo)志著開采初期原巖承載拱也已經(jīng)消失,上覆巖層壓力就完全傳遞給充填體,作用于充填體上垂直壓力越來越大。充填體壓力明顯增大,導(dǎo)致采場充填體垮冒事故增多,破壞程度加重,巖移向縱深發(fā)展。同時(shí)充填體尺寸逐漸增大,采場圍巖及充填體自身移動(dòng)變形的漸進(jìn)積累到一定程度時(shí),開始向充填空隙和“空殼體”移動(dòng),加速了圍巖移動(dòng)速率。充填體及巖體在這種力的擠壓、釋放重復(fù)作用中,其必然產(chǎn)生新的間斷面和破裂,以適應(yīng)變形需求,因此也導(dǎo)致了巖體位移的增大,巖體更加破碎,巖體性能降低。

4 兩體巖石力學(xué)模型探討

目前,國內(nèi)外還沒有研究充填體與地質(zhì)體相互作用的兩體力學(xué)分析模型,而對兩體材料相互作用的研究大部分是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),重點(diǎn)研究界面的斷裂準(zhǔn)則、裂紋的應(yīng)力場分布等。研究相互作用時(shí)接觸面力學(xué)特性的主要途徑有 2種:一是將接觸面和地質(zhì)體視為一體,構(gòu)成所謂的阻抗函數(shù)問題,通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算求解地質(zhì)體阻抗,由此可以獲得接觸面處的力和位移的關(guān)系;二是在接觸面力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上直接建立接觸面的本構(gòu)關(guān)系。阻抗函數(shù)問題的求解,一般將地質(zhì)體視為彈性體,不考慮接觸面本身的力學(xué)非線性特征。因此,以上研究也不適用本文所提的兩體巖石力學(xué)研究,或僅適用于地質(zhì)體和充填體處于彈性變形階段的情況。這就需要我們通過試驗(yàn)和理論研究,尋找地質(zhì)體和充填體相互作用下的非線性變形規(guī)律。

中國礦業(yè)大學(xué)易成教授用巖石 -砂漿兩介質(zhì)圓柱體試件進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示,研究了砂漿與巖石二者在軸壓下的變形規(guī)律,并分析了兩體力學(xué)模型相互作用機(jī)理。

圖2 兩體兩介質(zhì)縱向應(yīng)變

圖3 兩體兩介質(zhì)環(huán)向應(yīng)變

如果并定義砂漿 (類同與充填體)為底強(qiáng)度介質(zhì),巖石為高強(qiáng)度介質(zhì),從圖中可見兩體兩介質(zhì)模型曲線都有明顯轉(zhuǎn)折,均存在 1個(gè)較為明顯的承載力峰值,呈現(xiàn)不同發(fā)展現(xiàn)象,表現(xiàn)出不均勻非連續(xù)的特征。曲線明顯地轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為低強(qiáng)度介質(zhì)開裂時(shí)刻。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)?兩種介質(zhì)中至少一種存在初始缺陷,體系帶縫工作 (巖體結(jié)構(gòu)面),此時(shí)隨著荷載增加,裂紋持續(xù)擴(kuò)展,不存在裂縫開裂導(dǎo)致能量突然釋放等突變現(xiàn)象;體系無初始缺陷,但低強(qiáng)度介質(zhì)的縱向裂縫出現(xiàn)在介質(zhì)中央,將該介質(zhì)一分為二。

從圖2可見,砂漿由于屬于低強(qiáng)度材料,出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特征,甚至為流塑狀態(tài),而巖石呈明顯應(yīng)變硬化特征。結(jié)合圖3,可見巖石只是在峰值后破壞后與砂漿可能出現(xiàn)相同的變形特征。

如果在礦山穩(wěn)定性分析中,把二者作為一體材料不同屬性按 Morh—Coalomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,是非常不妥的。應(yīng)該建立基于巖體材料和充填體材料性質(zhì)相適宜的復(fù)合材料模型,通過分別考慮巖體強(qiáng)度特征和充填體特性,再結(jié)合各向異性理論和應(yīng)變硬化 -軟化理論,該模型理論至少應(yīng)該滿足以下 2個(gè)基本條件:

(1)強(qiáng)度方面:復(fù)合材料模型為由巖體和充填體組合而成的一種宏觀復(fù)合材料,巖體和充填體各自獨(dú)立考慮強(qiáng)度特性,其中充填體可以遵循帶拉伸截止限的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則;而巖體應(yīng)遵循非線性各向異性準(zhǔn)則,這 2個(gè)準(zhǔn)則的具體選用則根據(jù)工程具體情況而定。

(2)變形方面:巖體的變形遵循橫觀各向異性理論的變形條件,且?guī)r體硬化–軟化行為采用其力學(xué)參數(shù)隨損傷或塑性參數(shù)的演化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。

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2011-06-23)

李德賢 (1982-),男,工程師,碩士,從事巖體力學(xué)和巷道支護(hù)研究工作,Email:lidexian2000@sina.com.cn。