李正勝 李洪軍

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2. 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;3.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450045)

目前，國內(nèi)外地下開采厚大礦體，多向高階段、高分段、大型化、無軌化方向發(fā)展，為提高鑿巖效率，降低能耗和改善作業(yè)環(huán)境，采礦的進(jìn)路或分層隨之加大，采場的控頂高度相應(yīng)提高并向已采空間移動(dòng)。由于采礦工程自身載荷形式、施工因素等具有特殊性，使得目前乃至相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，都難以通過解析計(jì)算的方法得到與工程實(shí)際完全相吻合的關(guān)于礦山壓力方面的穩(wěn)定性定量結(jié)果［1-3］。特別是對于厚大礦體高分段開采形成的超高礦柱，忽略優(yōu)勢節(jié)理帶來的非均質(zhì)影響，往往會使預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差［4-5］。

李官集鐵礦位于山東省汶上縣郭倉鄉(xiāng)北部的李官集地區(qū)，屬于“三下礦體”，礦體傾斜度較大，礦區(qū)內(nèi)斷裂節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，有3 組斷裂構(gòu)造構(gòu)成礦區(qū)的主體構(gòu)造骨架，部分?jǐn)嗔褞ΦV體影響較大，礦體賦存條件復(fù)雜，采場采用點(diǎn)柱式分層充填的大面積連續(xù)開采方法。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的存在，使急傾斜礦體在點(diǎn)柱法開采過程中的地壓活動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)出復(fù)雜性，通過單一的地壓監(jiān)測難以準(zhǔn)確預(yù)測采場動(dòng)態(tài)地壓規(guī)律［6-7］。本研究在地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測獲得監(jiān)測采場在開采過程中地壓變化的基礎(chǔ)上，充分考慮礦體中優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的影響，利用3DEC 建立含有監(jiān)測采場的模型，按照礦山實(shí)際的開采和充填步驟進(jìn)行數(shù)值模擬獲得礦山在開采過程中地壓值的變化，結(jié)合地壓的實(shí)際監(jiān)測變化量和數(shù)值模擬得到的地壓值匹配分析得到了點(diǎn)柱法開采李官集鐵礦的地壓變化規(guī)律，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

1 動(dòng)態(tài)地壓監(jiān)測

1.1 測量方案

李官集鐵礦主要采用點(diǎn)柱式分層充填法(又稱點(diǎn)柱法)開采［8］，分為南北礦段，所研究的三采場位于南礦段，南礦段一共5 個(gè)采場。由于目前處于開采初期，主要分析對三采場地壓影響較大的二、三和四采場。其他采場剛開始開采，它的開采狀況不予考慮。目前，三采場的開采狀況是:開采和充填了一分層，二分層已經(jīng)開采完畢由于某種原因還沒有來得及充填，這3 個(gè)采場的開采順序大致是:依次開采二、三和四采場，然后依次充填二、三和四采場。二、三和四采場布置圖見圖1。

圖1 采場布置Fig.1 The position of the stopes

地壓監(jiān)測所用的監(jiān)測礦體和圍巖體的應(yīng)力變化的儀器為ZYJ－2 型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計(jì)，可做礦巖連續(xù)監(jiān)測記錄。監(jiān)測充填體壓力變化所用的儀器是YZ－2 型液壓枕，用于測定巷道支架、巷道圍巖和充填體的受力狀態(tài)。地壓監(jiān)測的內(nèi)容主要有:監(jiān)測采場中的間柱、點(diǎn)柱、充填體和上下盤圍巖在李官集鐵礦點(diǎn)柱法開采過程中的壓力變化。監(jiān)測儀器主要布置在位于礦體一分層的三采場，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的布置見圖2。

圖2 地壓監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.2 The position of monitoring points

圖2 中編號“ZK”表示鉆孔應(yīng)力計(jì)的點(diǎn)號，編號“YZ”為液壓枕的點(diǎn)號。其中，點(diǎn)號“ZK －1”用于監(jiān)測下盤圍巖體在豎直方向上的壓力變化;點(diǎn)號“ZK－2”和“ZK－3”用于監(jiān)測采場中部點(diǎn)柱在豎直方向上的壓力變化;點(diǎn)號“ZK－4”和“ZK－5”用于監(jiān)測上盤圍巖體在豎直方向上的壓力變化;點(diǎn)號“ZK－7”用于監(jiān)測間柱在水平方向上的壓力變化;點(diǎn)號“ZK －6”、“ZK－8”和“ZK －9”用于監(jiān)測間柱在豎直方向上的壓力變化;點(diǎn)號“YZ－1”用于監(jiān)測充填體在礦體走向方向上水平方向壓力的變化;點(diǎn)號“YZ－2”用于監(jiān)測充填體在礦體厚度方向上水平方向壓力的變化;點(diǎn)號“YZ－3”用于監(jiān)測充填體在豎直方向上的壓力變化。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地壓監(jiān)測儀器每5 min 自動(dòng)記錄1 次讀數(shù)，以天為單位對地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了充分掌握采場動(dòng)態(tài)地壓規(guī)律，選取監(jiān)測時(shí)間段為500 d。提取有代表性的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，點(diǎn)柱上的測點(diǎn)ZK－2 和ZK－3 及圍巖體的測點(diǎn)ZK－1 和ZK－4 的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3，間柱上的測點(diǎn)ZK －6，ZK －8和ZK－9 的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 點(diǎn)柱和圍巖測點(diǎn)地壓數(shù)據(jù)Fig.3 The ground pressure data of the pointed pillars and host rock

圖4 間柱測點(diǎn)地壓數(shù)據(jù)Fig.4 The ground pressure data of the barrier pillars

圖3 為一分層開采后點(diǎn)柱和圍巖體的地壓數(shù)據(jù)，其中，ZK－2 和ZK －3 為點(diǎn)柱上的監(jiān)測點(diǎn)，ZK －4 為上盤巖體的監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)ZK －1 為與ZK －4 對應(yīng)的下盤上的監(jiān)測點(diǎn)。從中可以看出，與圍巖體相比，點(diǎn)柱的應(yīng)力集中程度更高。點(diǎn)柱的測點(diǎn)中ZK －2 比ZK－3 的應(yīng)力值明顯要高，說明點(diǎn)柱ZK －2 的應(yīng)力集中程度更高。隨著三采場開始開挖第二分層，下部的巖體由于應(yīng)力釋放而應(yīng)力值減小，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值不同程度的下降，隨后，應(yīng)力值緩慢上升中保持穩(wěn)定，這是由于隨著二采場和四采場二、三分層的開采，使三采場的應(yīng)力值由于兩側(cè)的巖體開挖而升高，但是應(yīng)力值增量很小，并趨于穩(wěn)定，說明周圍采場的開采對三采場的點(diǎn)柱應(yīng)力影響并不大，但是三采場自身的開挖對測點(diǎn)的應(yīng)力值影響較大，應(yīng)力集中區(qū)域由點(diǎn)柱向圍巖轉(zhuǎn)移。圖4 表示間柱上測點(diǎn)的豎向應(yīng)力值在開挖過程中的變化，測點(diǎn)ZK －8 位于間柱的中央，應(yīng)力集中程度相對更高，測點(diǎn)ZK －8 的應(yīng)力值較ZK －9 和ZK－6 的大。隨后，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值有不同程度的下降，二采場二分層的開采，使應(yīng)力集中區(qū)域向上部巖體轉(zhuǎn)移，四采場二分層的開挖使應(yīng)力值有少許上升，三采場二分層的開采，再次引起間柱的應(yīng)力釋放，應(yīng)力值再次下降。四采場的二分層開挖引起各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值有所回升。隨后，隨著四采場三分層的開挖，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值有所回升，只是增量很小，基本保持恒定。可見，對二、三采場的間柱來說，四采場的開挖增加了監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力集中程度，對其應(yīng)力值的影響較大，二、三采場的開挖引起應(yīng)力釋放而應(yīng)力值減小，應(yīng)力集中程度向上部轉(zhuǎn)移。

2 采場地壓數(shù)值模擬分析

結(jié)合地壓現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場礦山開采的具體步驟，建立包含有三采場及相鄰的二采場和四采場的幾何模型，選取和現(xiàn)場地壓監(jiān)測對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)。

2.1 礦體模型建立

采用3DEC 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)［9-10］，礦體中按照結(jié)構(gòu)面的調(diào)查結(jié)果，按照優(yōu)勢方向設(shè)置一組結(jié)構(gòu)面，傾角為75°，傾向?yàn)榈V體的傾向，北偏西45°，整個(gè)模型范圍為420 m×300 m×400 m，其中X 方向垂直礦體走向，Y 方向沿礦體走向，礦體模型見圖5，模型中采場位置見圖6，對比研究數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分析李官集鐵礦的地壓運(yùn)移規(guī)律。

圖5 礦體模型Fig.5 The ore body model

圖6 模型中采場位置Fig.6 The position of the stopes in the model

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，巖石力學(xué)試驗(yàn)特性及其工程地質(zhì)條件等因素，并結(jié)合以上經(jīng)驗(yàn)估算，得到巖體的計(jì)算模擬物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)，參考規(guī)范［11］，具體選用數(shù)值見表2。開采步驟嚴(yán)格按照采場實(shí)際的開采和充填順序，模型在加載原巖應(yīng)力后，計(jì)算至平衡，第一分層開采中每個(gè)采場計(jì)算1 000 步，然后每個(gè)采場分5 次進(jìn)行開采，每次計(jì)算200步，每個(gè)采場充填時(shí)每次計(jì)算1 000 步，共計(jì)20 000步。測點(diǎn)每50 步提取1 個(gè)應(yīng)力值進(jìn)行分析。點(diǎn)柱上的測點(diǎn)ZK－2 和ZK－3 及圍巖體的測點(diǎn)ZK－1 和ZK－4 對應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測值見圖7，間柱上的測點(diǎn)ZK －6，ZK－8 和ZK－9 對應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測值見圖8 。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of rock mass

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)Table 2 The mechanical parameters of structural plane

2.2 測點(diǎn)應(yīng)力分析

測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見圖7 和圖8。

圖7 點(diǎn)柱和圍巖測點(diǎn)應(yīng)力變化Fig.7 The variation of stresses of the pointed pillars and host rock

圖8 間柱測點(diǎn)地壓數(shù)據(jù)Fig.8 The ground pressure data of the barrier pillars

從圖7 可以看出，開采三采場的第一分層，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值都有增大，并出現(xiàn)一定的波動(dòng)，測點(diǎn)ZK－2 應(yīng)力值最終穩(wěn)定在33.25 MPa，測點(diǎn)ZK －3 應(yīng)力值最終穩(wěn)定在27.25 MPa，測點(diǎn)ZK－4 的應(yīng)力值最終穩(wěn)定在13.27 MPa，測點(diǎn)ZK －1 應(yīng)力值最終穩(wěn)定在16.22 MPa。當(dāng)四采場一分層開挖后，應(yīng)力值繼續(xù)增大，其中點(diǎn)柱上的應(yīng)力值增量較大。隨后隨著這3 個(gè)采場的充填，應(yīng)力值略有降低，降低幅度約2% ～5%。隨后，隨著二采場的二分層的開挖，應(yīng)力值略有回升，當(dāng)三采場二分層開挖時(shí)，應(yīng)力值都不同程度地降低，四采場二分層的開采及二采場和四采場三分層的開采，應(yīng)力值略有回升，增量不大。每逢充填后的采場，應(yīng)力值降低約2% ～5%。從圍巖體和點(diǎn)柱的應(yīng)力集中程度來看，點(diǎn)柱的應(yīng)力集中程度明顯更高。圖中曲線在三采場第一分層充填后的曲線形狀和圖1 ～圖4 中現(xiàn)場的監(jiān)測值在變化趨勢上有較好的穩(wěn)合，都出現(xiàn)開挖層應(yīng)力集中，充填層應(yīng)力局部恢復(fù)，擾動(dòng)層應(yīng)力釋放而下降的規(guī)律。

圖8 顯示間柱上測點(diǎn)的豎向應(yīng)力值在開挖過程中的變化，二采場一分層開挖后，應(yīng)力值逐漸上升，當(dāng)三采場一分層開挖后，由于監(jiān)測點(diǎn)所在的分層礦體被挖去，應(yīng)力集中增加，隨著四采場二分層的開挖，應(yīng)力值進(jìn)一步上升。在約60 步時(shí)，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值有不同程度的下降，此時(shí)二采場二分層的開采，使應(yīng)力集中區(qū)域向上部巖體轉(zhuǎn)移，四采場二分層的開挖，引起該間柱的應(yīng)力擾動(dòng)使ZK －8 應(yīng)力值有少許上升。隨著四采場三分層的開挖，各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值有所回升，只是增量很小，基本保持恒定，對二、三采場的間柱來說，四采場的開挖對其應(yīng)力值增加有影響，增加了其應(yīng)力集中程度。二、三采場的開挖使其應(yīng)力值減小，促使其應(yīng)力集中程度向上部轉(zhuǎn)移，引起了應(yīng)力釋放而應(yīng)力值降低。該應(yīng)力曲線中在三采場第一分層充填后的曲線形狀和圖4 中現(xiàn)場的監(jiān)測值在變化趨勢上有較好的穩(wěn)合。

3 結(jié) 論

(1)點(diǎn)柱和圍巖之間在開挖過程中的地壓活動(dòng)規(guī)律為:開采過程中，形成的應(yīng)力集中區(qū)域由點(diǎn)柱向圍巖體逐漸轉(zhuǎn)移。具體過程為點(diǎn)柱法開采急傾斜礦體中，開挖初期，礦柱和和圍巖一起支撐著上部載荷，礦柱所受應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于圍巖，隨著開挖高度的增大，點(diǎn)柱下部由于卸載而應(yīng)力降低，點(diǎn)柱上部由于開挖而壓應(yīng)力增大，同時(shí)圍巖應(yīng)力逐漸增大，隨著開挖高度的增大，應(yīng)力集中由點(diǎn)柱向圍巖體逐漸轉(zhuǎn)移。

(2)上、下盤巖體間在開挖過程中的地壓轉(zhuǎn)移規(guī)律為:地壓整體隨開采向上交替運(yùn)移，應(yīng)力集中從下盤向上盤轉(zhuǎn)移，同一點(diǎn)柱地壓呈現(xiàn)分層轉(zhuǎn)移規(guī)律，開挖層應(yīng)力增加，回填層應(yīng)力局部恢復(fù)，擾動(dòng)層應(yīng)力釋放，并隨開挖進(jìn)行循環(huán)往復(fù)。

(3)通過應(yīng)力監(jiān)測可以看出，李官集鐵礦采用的點(diǎn)柱法開采急傾斜礦體的采礦方法，開采過程中主要依靠預(yù)留下的點(diǎn)柱、圍巖和充填體來支撐上部礦體，礦體的開挖會引起支撐體的應(yīng)力發(fā)生較大的變化，開采中過程中應(yīng)合理優(yōu)化采礦步驟，做好安全防護(hù)。

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