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        金屬礦山嗣后充填采場頂板合理跨度參數(shù)研究及建議

        2014-10-31 02:36:16張海波李示波楊希洋
        金屬礦山 2014年6期
        關鍵詞:礦房礦柱采場

        張海波 李示波 張 揚 楊希洋

        (1.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室,河北 唐山063009;2.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院,河北唐山063009)

        河北某鐵礦露天閉坑轉(zhuǎn)入地下開采后,其地下首采階段采用無底柱分段崩落法,后在維護礦山環(huán)境和生產(chǎn)安全等因素的影響下,下部階段礦體回采決定采用分段空場嗣后充填采礦法。目前,國內(nèi)采用分段空場嗣后充填的礦山有冬瓜山銅礦、安慶銅礦、阿舍勒銅礦等,其中冬瓜山銅礦礦房、礦柱參數(shù)均為18 m[1-2],安慶銅礦的礦房、礦柱參數(shù)均為 15 m[3],采場的結構參數(shù)越大,礦石回采效率越高,但如果采場暴露面積大,對礦巖自穩(wěn)性要求高,所以有必要對采場結構參數(shù)的合理性進行研究。

        本研究范圍內(nèi)礦體平均水平厚度26 m,礦體傾角70°~80°,屬于急傾斜礦體。采用數(shù)值模擬與理論分析結合方法,研究了采場在不同跨度條件下對圍巖擾動影響,揭示采場圍巖變形破壞機理,提出了安全合理的采場結構參數(shù)。

        1 頂板跨度簡支梁分析

        在分段空場嗣后充填釆礦過程中,礦塊尺寸大小將影響空區(qū)圍巖及充填體穩(wěn)定性。所以基于材料力學理論計算得出采場頂板理論安全跨度[4],從而指導數(shù)值模擬分析礦塊參數(shù)的選取。

        由Mohr-Coulomb準則得

        式中,σ1、σ3分別為最大、最小主應力;c為內(nèi)聚力;為內(nèi)摩擦角;g為自由落體加速度。

        若取σ3=0,則極限應力σ為巖石單軸抗壓強度σc,即有

        將采場頂板假設為兩端簡支梁,其受力分析如圖1所示,q為上覆壓力。

        圖1 巖梁受力分析簡圖Fig.1 Stress analysis diagram of rock beam

        根據(jù)材料力學,采場頂板中性軸上、下表面上任意一點的應力為

        式中,α為礦體傾角,(°);l為采場跨度,m;h為采場頂板高度,m;γ為巖體容重,×10 kN/m3。

        最大拉應力發(fā)生在

        采場頂板中性軸的下表面,最大拉應力為

        因此,頂板沿傾向的最大允許跨度為

        頂板沿礦體走向的最大允許跨度為

        式中,σt為巖體抗拉強度。

        多礦房回采時,采場頂板可假設成一組簡支梁[5],其受力分析見圖2。

        圖2 簡支梁受力分析Fig.2 Stress analysis diagram of simple beam

        根據(jù)材料力學理論,當沿礦體走向布置2~4個礦房時,礦房臨界跨度計算分別為

        考慮到該鐵礦充填采礦初步設計中,礦塊均沿礦體走向布置,其傾角為零,所以當沿礦體走向布置2~4個礦房時,礦房跨度合理參數(shù)值為

        由上述計算可知,頂板理論極限跨度為18 m左右,故本研究參照理論計算的參數(shù)值設計礦塊結構參數(shù)并進行數(shù)值模擬研究。

        2 采場結構參數(shù)數(shù)值模擬分析

        本次數(shù)值模擬計算范圍所涉及的巖體以磁鐵礦石為主,屬于彈塑性材料,計算采用Mohr-Coulomb準則。該鐵礦開采方式為分段空場嗣后充填,分段高度為12 m,階段高度為48 m,礦房與礦柱尺寸相同,分別以礦房跨度15、18、20 m 3種方案進行模擬計算。

        參照現(xiàn)場實際尺寸及布置形式,考慮到對現(xiàn)場邊界的影響,對計算模型做了相應的簡化,建立了計算模型(見圖3),模型尺寸300 m×300 m,礦房與礦柱寬度分別以給定方案進行設計,對模型兩側(cè)邊界進行水平方向約束,對模型底部邊界進行水平約束及豎向約束。為系統(tǒng)分析礦體開采對周邊礦巖的影響,采用“隔一采一”的開采順序,研究礦房一次性全部采完時引起的圍巖應力、應變以及塑性范圍的變化[6-8],巖石力學參數(shù)見表1。

        圖3 采場結構模型Fig.3 Model of stope structure

        表1 巖石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

        礦體開采致使周邊礦巖體失去原有的平衡狀態(tài),使其在一個有限范圍內(nèi)產(chǎn)生應力重新分布,從豎向應力云圖來分析(見圖4),由于篇幅有限,只分析礦房跨度為18 m和20 m時,礦房圍巖應力重分布的變化,由于礦體的回采,礦房頂板及底板都處于卸壓狀態(tài)??缍葹?8 m時,礦房頂板、底板圍巖的豎向應力分布在0~-2 MPa,處于壓應力狀態(tài),跨度為20 m時,礦房頂板及底板豎向應力分布在0~-1 MPa,比較接近拉應力狀態(tài)。礦房底部兩側(cè)圍巖應力及礦房之間礦柱應力變化程度大,應力集中范圍程度高,達到6~8 MPa,表現(xiàn)為壓應力狀態(tài),但在跨度為20 m礦房礦柱底部,出現(xiàn)楔形臺階應力分布,說明礦柱極易在此部位因剪切作用而發(fā)生破壞失穩(wěn)。

        從位移云圖(圖5)來分析,礦房跨度為18 m和20 m時,在礦房頂板及底板位置,由于礦巖處于卸壓狀態(tài),礦房轉(zhuǎn)角處于較大的剪應力集中,礦房頂板及底板圍巖容易出現(xiàn)拉應力狀態(tài),所以空區(qū)頂板及底板圍巖在次生應力的作用下產(chǎn)生指向空區(qū)方向位移。當?shù)V房跨度為18 m時,3個礦房的頂板位置都產(chǎn)生了10 mm左右的位移,其中中間礦房頂板圍巖產(chǎn)生位移范圍較大,其他兩個次之。從礦房頂板位移情況來看,頂板圍巖位移產(chǎn)生的類似“拱形”巖移范圍,底板圍巖產(chǎn)生向上位移,表現(xiàn)在巷道中就是巷道底板底臌,在此出現(xiàn)了15 mm左右的位移,位于中間礦房底板;礦房跨度為20 m時,頂板圍巖位移與上述礦房頂板位移情形相似,但位移的范圍及位移尺度的有所擴大,同樣具有類似“拱形”的位移范圍,但頂板圍巖最大位移達到15 mm,處于中間礦房頂板中間位置,而底板位移也與上述礦房底板位移相似,但礦房底板位移超過了15 mm??偟目磥恚?shù)V房跨度增加時,礦房頂板及底板巖移的范圍及尺度都會有增加的趨勢。

        圖4 不同跨度條件下采場圍巖的豎向應力分布Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rocks in different span of stope

        圖5 不同跨度條件下采場圍巖的y向位移分布Fig.5 Displacement distribution of surrounding rocks in y direction in different span of stope

        不同跨度條件下采場圍巖的塑性分布情況分析見圖6,當?shù)V房、礦柱尺寸為15 m時,礦房側(cè)壁圍巖在次生應力作用下處于彈性變形狀態(tài),左側(cè)礦柱上半部處于橫向拉應力區(qū)域范圍,下半部圍巖呈塑性剪切破壞狀態(tài),但巖體保持完整,具有較高的承載力,右側(cè)礦柱上半部處于彈性變形范圍,但有部分圍巖處于橫向拉應變狀態(tài),下半部礦柱與左側(cè)礦柱下半部狀態(tài)類似。當?shù)V房、礦柱尺寸為18 m時,礦房、礦柱圍巖塑性分布狀態(tài)與跨度為15 m時比較相似,不同的是,隨著跨度的增大,礦房側(cè)壁部分圍巖由彈性變形狀態(tài)向拉應變狀態(tài)轉(zhuǎn)移,礦柱上半部處于彈性變形狀態(tài)的范圍在縮小,逐漸轉(zhuǎn)向拉應變狀態(tài),下半部礦柱還可承受較大的壓應力。當?shù)V房、礦柱尺寸為20 m時,礦房側(cè)壁及礦柱圍巖塑性分布區(qū)域與上述有明顯的差異,礦房側(cè)壁圍巖處于彈性變形的范圍在縮小,而逐漸轉(zhuǎn)向剪切破壞狀態(tài),礦柱內(nèi)部大部分處于剪切破壞狀態(tài),更重要的是,承壓礦柱下半部出現(xiàn)楔形臺階應力分布,礦柱極易在此發(fā)生剪切破壞,這將導致礦柱的支撐能力下降,礦柱的穩(wěn)定性變差。

        圖6 不同跨度條件下采場圍巖的塑性區(qū)域Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rocks in different span of stope

        3 結論

        (1)基于材料力學理論分別計算了沿礦體走向布置2個、3個及4個礦塊時礦房頂板的極限跨度尺寸,得出礦房頂板的合理跨度尺寸為18 m左右。結合Flac數(shù)值模擬軟件,模擬對比分析了3種不同跨度尺寸條件下,礦房頂板、底板及礦柱的應力分布、位移及塑性變化規(guī)律,建議選取礦房、礦柱尺寸在18 m的采場結構參數(shù)是可行的,對礦巖穩(wěn)定性好的礦塊可適當選取20 m。

        (2)金屬礦嗣后充填采礦,是兩步回采過程,其中礦柱及充填體的穩(wěn)定是關系礦體安全回采的關鍵因素,所以建議加強對礦柱及充填體應力、應變監(jiān)測,保證礦體回采安全。

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