劉 杰 徐曾和 趙興東 鄧文學(xué)

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

新城金礦既具有成礦規(guī)模大，工業(yè)價值高的優(yōu)點，也存在礦體賦存條件復(fù)雜，致使開采難度大、損失率及貧化率高、開采規(guī)模難以擴大等缺點［1-4］，現(xiàn)階段主要開采礦體為Ⅴ#礦體，屬具有深井開采特征的、復(fù)雜的、有多重開采困難和不利因素的、開采價值中等偏高的傾斜極破碎厚礦體。根據(jù)礦體賦存狀態(tài)及開采技術(shù)條件，礦山主要采用機械化盤區(qū)上向分層充填法開采。隨著采場的分步回采，充填體及時充填空區(qū)，采場的幾何形狀和介質(zhì)不斷發(fā)生變化，致使采場周圍應(yīng)力場和位移場也不斷變化，且隨著采礦作業(yè)不斷向深部發(fā)展，采場圍巖坍塌、冒頂?shù)葹?zāi)害將會明顯增強，采場圍巖穩(wěn)定性控制及支護技術(shù)是保證充填連續(xù)安全開采的關(guān)鍵問題之一。因此，研究分層回采采場地壓活動規(guī)律及支護技術(shù)，對于指導(dǎo)采場安全回采具有重要的現(xiàn)實意義［5-7］。

FLAC3D為有限差分?jǐn)?shù)值軟件，能很好地解決幾何非線性、大變形問題，為礦山采場開挖及支護設(shè)計與優(yōu)化提供了一個有力工具［8-10］。本研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬回采過程中圍巖中的應(yīng)力、位移的分布規(guī)律，并對采場支護設(shè)計進行效果分析，從而實現(xiàn)采礦設(shè)計的優(yōu)化，為保證開采安全提供依據(jù)。

1 工程概況

所研究區(qū)域為新城金礦主要生產(chǎn)中段－630 m中段，礦區(qū)勘探線172～186之間的礦體，如圖1所示。所研究采場選取1個盤區(qū)，盤區(qū)長度為30 m，盤區(qū)沿礦體走向布置，礦房垂直礦體走向布置，每個盤區(qū)由2個一步采場與2個二步采場構(gòu)成，即4個采場組成。一步采場寬7 m，二步采場寬8 m，采場底柱回采高度5 m，其余分層高度為3.3～3.4 m，其采礦方法見圖2。

圖1 研究區(qū)域

圖2 機械化盤區(qū)上向分層充填法

2 數(shù)值計算力學(xué)模型

2.1 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)新城金礦地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)力學(xué)實驗研究結(jié)果，經(jīng)強度折減后選定模擬計算采用的巖體及充填體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計算力學(xué)參數(shù)

2.2 計算模型及方案

計算模型幾何范圍:沿礦體走向150 m，垂直礦體走向380 m，豎直方向－680～－580 m中段，高度為150 m。模擬區(qū)域礦體傾角平均30°，礦體厚度取80 m。模型尺寸為380 m×150 m×150 m，如圖3所示，計算域邊界采用位移約束，上部平面承受21.02 MPa的面載荷。選擇莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則，材料屬性按表1進行賦值，計算考慮原巖構(gòu)造應(yīng)力場［3］。

圖3 計算模型

模擬一步采場、二步采場開采過程中，盤區(qū)圍巖及充填體的應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)變化過程。模型假定一二步采場共開采13個分層，第1分層高度為5 m，其余分層高度為3.4 m，留4.2 m的頂柱高度。針對采場支護設(shè)計，進行安全穩(wěn)定性數(shù)值分析。

3 結(jié)果分析

通過對采場回采過程的模擬，選取回采初期(第1分層)、中期(第7分層)、后期(第13分層)3個時期的數(shù)值模擬結(jié)果進行位移與應(yīng)力的詳細(xì)分析。

3.1 一步采場回采過程的數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1.1 一步采場位移分析

一步采場回采過程中，其3個不同時期的位移分布狀態(tài)如表2所示。

表2 一步采場位移分布狀態(tài)

一步采場整個回采過程中，兩幫位移量由于充填體作用其變化幅度不大，頂板最大垂直位移的變化趨勢如圖4所示，采場頂板在回采至10分層后，受上中段充填體影響，頂板下沉量加劇增加。

圖4 一步采場回采時期頂板沉降量

總體分析來看，一步采場采空后，采場周圍介質(zhì)向空區(qū)位移變形，形成以采場為中心的變形松動圈，且隨著回采分層的增加，變形松動圈越大，充填后，充填體和周圍介質(zhì)壓實、固結(jié)，起到阻止位移、控制變形的作用。

3.1.2 一步采場應(yīng)力分析

一步采場回采過程中，其采場頂板的應(yīng)力隨開挖分層的變化如圖5所示，當(dāng)回采至10分層時，由于上中段充填體的影響，采場垂直應(yīng)力由降低變?yōu)樯?，?yīng)加強頂板管理。2#二步采場垂直應(yīng)力變化如圖6所示，由圖可知，回采至第7分層后，即回采至一分層中期時，其二步采場垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，由此可建議改變傳統(tǒng)隔一采一的回采方式，當(dāng)一步采場回采至中期時，可進行二步采場回采，即一步采場超前二步采場6個分層。

總體分析來看，一步采場回采過程中，二步采場應(yīng)力較高，起間柱承載作用，隨著回采的進行其應(yīng)力值不斷降低最后趨于平衡。充填體應(yīng)力水平較圍巖低，起應(yīng)力隔離作用。一步采場回采過程中，采場整體穩(wěn)定性較好，受采充擾動影響相對較小，應(yīng)注意加強回采時頂板應(yīng)力集中部位的監(jiān)測與控制。

圖5 1#一步采場頂板應(yīng)力

圖6 2#二步采場應(yīng)力

3.2 二步采場回采過程的數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 二步采場位移分析

二步采場回采過程中，其3個不同時期的位移分布狀態(tài)如表3所示。

表3 二步采場位移分布狀態(tài)

總體分析來看，二步采場回采時期，其位移變化規(guī)律與一步采場相似，頂板最大垂直位移明顯增大，如圖7所示。由于2#二步采場兩幫為充填體，其開采難度增大，頂板下沉量較大，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，應(yīng)加強頂板管理。

圖7 二步采場回采時期頂板沉降量

3.2.2 二步采場應(yīng)力分析

二步采場回采過程中，應(yīng)力變化與一步采場規(guī)律類似，垂直應(yīng)力在采場頂?shù)装逍纬奢^大的弧形卸壓區(qū)，在采場兩幫形成應(yīng)力集中，在下盤位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，回采中期，盤區(qū)兩幫圍巖出現(xiàn)弧形應(yīng)力聚集區(qū)，較一步采場回采時期大，而充填體應(yīng)力隨著回采的進行其應(yīng)力值不斷增大，局部出現(xiàn)受拉現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力為0.34 MPa。因此，充填體強度要達(dá)到設(shè)計強度以保證采場圍巖的穩(wěn)定性;最大主應(yīng)力主要集中在下盤位置及采場邊角處，區(qū)域隨回采逐漸增大。

4 采場頂板支護設(shè)計與效果分析

在中段高度為50 m，礦塊跨度、礦體厚度、空區(qū)暴露面積均較大，頂板穩(wěn)固性不夠，采場主要靠管縫式錨桿進行支護，采場頂板冒落嚴(yán)重的情況下，無法保證生產(chǎn)的安全進行，使一些直接在采場頂板下的回采工作存在嚴(yán)重的安全隱患。通過對以上現(xiàn)場存在問題的分析和樹脂錨桿與長錨索支護機理進行研究，確定采場支護采用長錨索與樹脂錨桿聯(lián)合支護。

4.1 錨桿參數(shù)設(shè)計

采用以巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)和整體系統(tǒng)支護時錨桿參數(shù)確定的工程類比方法進行錨桿參數(shù)設(shè)計。

樹脂錨桿長度為2 m，錨桿支護材料，統(tǒng)一使用25MnSi螺紋鋼錨桿，錨桿直徑均為20 mm，錨桿孔徑與錨桿桿體錨固段直徑之差宜保持在4～6 mm，螺紋必須采用滾絲。錨桿托盤為采用8 mm厚鐵板制作，托盤規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm。一步采場選取錨桿網(wǎng)度為2 m×2 m，二步采場選取錨桿網(wǎng)度為1.5 m×1.5 m。

錨索采用高強度、低松弛無黏結(jié)鋼絞線，公稱直徑15.24 mm，強度等級為1 860 MPa，最小破斷力260.7 kN，屈服力252 kN，延伸率≥3.5%，松弛率≤3.5%，鋼絞線的基本材料應(yīng)是碳素鋼，采用水泥漿液，水灰比為1∶2～1∶2.5，水泥為425#普通硅酸鹽水泥，采用封孔注漿的方式注漿。在鉆孔設(shè)備安裝方便條件下，盡可能加長鉆孔長度，采用YGZ－90中深孔鉆機，孔長為10～15 m;中段高度為50 m，布置4層，可確定每層錨索長度為15 m，預(yù)留3.4～3.5 m長的一段錨索為下一層錨索安裝起到支護作用。一步采場選取錨索網(wǎng)度為2 m×2 m，二步采場選取錨索網(wǎng)度為1.5 m×1.5 m。

4.2 模擬效果分析

采用FLAC3D分析一二步采場錨桿支護設(shè)計效果，對比支護前后頂板的位移情況。由3.2.1節(jié)分析可知，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，因此選取開采第9分層時進行一二步采場效果分析。支護前后相關(guān)計算結(jié)果顯示，一二步采場無支護情況下，頂板最大垂直位移分別為為23.9 mm和72.1 mm，采用錨桿索支護后，頂板最大位移分別為4.2 mm和5.4 mm。

5 結(jié)論

(1)一步采場采空后，采場周圍介質(zhì)向空區(qū)位移變形，形成以采場為中心的變形松動圈，且隨著回采分層的增加，變形松動圈越大，充填后，充填體和周圍介質(zhì)壓實、固結(jié)，起到阻止位移、控制變形的作用。

(2)一步采場回采至10分層后，頂板下沉量加劇增加，采場垂直應(yīng)力由降低變?yōu)樯撸_采難度增大;一步采場回采至第7分層后，其二步采場垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，由此可建議改變傳統(tǒng)隔一采一的回采方式，當(dāng)一步采場回采至中期時，可進行二步采場回采。

(3)二步采場回采時期，其位移變化規(guī)律與一步采場相似，頂板最大垂直位移明顯增大，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，應(yīng)加強頂板管理;二步采場回采過程中，充填體達(dá)到設(shè)計強度足以保證采場穩(wěn)定性。

(4)根據(jù)新城金礦頂板支護存在問題，確定支護方式采用長錨索與樹脂錨桿聯(lián)合支護方式，利用工程類比法進行了采場頂板錨桿索支護設(shè)計，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行了錨桿索支護效果分析，結(jié)果表明設(shè)計方案能較好地保證采場的頂板穩(wěn)定性。

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