裴明松 許夢(mèng)國(guó) 王 平 商歡迪 杜宇翔 馮仁杰

(冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430081)

崩落采礦法因生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)而被地下鐵礦山廣泛采用，采用此法采出的鐵礦占總量的85%以上［1］。同時(shí)，崩落法采礦也存在地表塌陷嚴(yán)重，對(duì)周圍環(huán)境影響大，征地困難等缺點(diǎn)。但是由于近年來(lái)鐵礦石價(jià)格的不斷下跌，礦山的經(jīng)濟(jì)效益得不到保證［2］，因此在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的形勢(shì)下，崩落法礦山亟需一種既能高效回收礦石，又不對(duì)周圍環(huán)境造成巨大破壞的采礦模式回收礦石。

程潮鐵礦為我國(guó)典型的采用無(wú)底柱分段崩落法的地下金屬礦山，隨著開采水平的下降，礦體逐漸西移，選廠下保安礦柱的礦量逐漸增大。若不對(duì)其進(jìn)行回收，礦山大量礦產(chǎn)資源將丟失。為了確保地表穩(wěn)定性和礦山經(jīng)濟(jì)效益，該礦擬采用兩種方法同時(shí)開采的形式——充填法回收保安礦柱，崩落法回采保安礦柱以外的礦體，該開采方案既能夠保證地表穩(wěn)定性，使塌陷坑不進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)使礦山年生產(chǎn)能力不發(fā)生太大改變。為了探究該方案對(duì)選廠及其周圍構(gòu)筑物的影響情況，采用室內(nèi)模型相似材料試驗(yàn)對(duì)選廠區(qū)域地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 相似理論

相似模擬試驗(yàn)是基于相似理論，利用事物或現(xiàn)象間存在的類似等特征來(lái)研究自然規(guī)律的一種方法［3］。長(zhǎng)期以來(lái)，模型試驗(yàn)一直是解決復(fù)雜工程課題的重要手段，在巖土工程研究中已得到廣泛應(yīng)用［4］。相似準(zhǔn)則是進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)進(jìn)行的前提。線彈性模型的相似準(zhǔn)則一般是根據(jù)彈性力學(xué)基本原理進(jìn)行推導(dǎo)而獲得的，由平衡、幾何、物理及邊界條件方程可以分別推出線彈性問題基本相似判據(jù)為［5］

式中，Cσ為應(yīng)力相似比，Cγ為容重相似比，CL為幾何相似比，Cu為位移相似比，Cε為應(yīng)變相似比，CE為彈性模量相似比，Cμ為泊松比相似比，Cf為摩擦系數(shù)相似比，Cφ為內(nèi)摩擦角相似比，Cσt為抗壓強(qiáng)度相似比，Cσc為抗拉強(qiáng)度相似比。

在實(shí)際中，相似模擬試驗(yàn)要全部滿足上述關(guān)系式十分困難，因此常常根據(jù)試驗(yàn)研究對(duì)象及其目標(biāo)，選取主要相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以達(dá)到對(duì)物理現(xiàn)象的研究［6-7］。本試驗(yàn)中選取Cσ= CγCL作為主要相似準(zhǔn)則。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 模擬范圍確定

在綜合考慮地質(zhì)、采礦等因素后，選取沿走向地下礦體分布復(fù)雜、厚度適中、工程地質(zhì)和采礦條件具有代表性的剖面。模擬開采范圍為－290 ～－500 m選廠下保安礦柱和－377 ～－500 m 保安礦柱以外礦體，因此確定的深度范圍為+58 ～－700 m，總深度為758 m;選取模擬的寬度為1 056 m;選取的剖面上盤主要為大理巖、下盤主要為花崗巖。最終的模型見圖1，其中1#～4#為百分表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CH1 ～CH6 為應(yīng)變片監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在應(yīng)變片上設(shè)置全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)輔助監(jiān)測(cè)模型沉降。

圖1 相似模擬典型剖面(單位:m)Fig.1 Typical section of simulation experiment

2.2 試驗(yàn)方案確定

試驗(yàn)中對(duì)－290 ～－500 m 礦體進(jìn)行充填法開采過程的模擬，同時(shí)模擬無(wú)底柱分段崩落法開采－377～－500 m 的礦體，具體的試驗(yàn)方案及步驟見表1。

表1 試驗(yàn)方案及步驟Table 1 Experimental scheme and steps

3 試驗(yàn)過程

3.1 相似比選取

通過對(duì)多個(gè)不同相似比的分析比較，選定CL=600 ，Cγ= 1.3 ，則由式(1)得Cσ= 780 。模型試驗(yàn)的地點(diǎn)選在武漢科技大學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，試驗(yàn)架全部采用型鋼材料制作，凈斷面長(zhǎng)2.50 m、高2.30 m、寬0.20 m。考慮到試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂袕?qiáng)底低、易垮、易碎的特點(diǎn)，模型的寬度選定為0.20 m，按照600 的幾何相似比計(jì)算，試驗(yàn)需要的模型架長(zhǎng)1.76 m、高1.36 m、寬0.20 m，實(shí)驗(yàn)室可以滿足要求。

3.2 相似材料的選取

根據(jù)相似理論，試驗(yàn)中的模型由相似材料制作，相似材料對(duì)模型相似試驗(yàn)的成功與否起決定性作用［5］。根據(jù)相似原理和程潮鐵礦礦石和圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合模型的應(yīng)力相似比為1∶ 780，可計(jì)算得到模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，參考肖杰等［9-12］關(guān)于模型配比試驗(yàn)研究成果，選取河沙、重晶石粉、石膏、鐵礦粉為相似材料的原料，通過正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)出模型材料可能的配比方案，在材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其物理力學(xué)參數(shù)，選擇滿足要求的配比方案見表2。

表2 選取的相似材料配比及力學(xué)參數(shù)Table 2 Similar material proportion and mechnical parameters

3.3 模型制作

模擬開采區(qū)域無(wú)不良地質(zhì)體，礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)小于自重應(yīng)力，因此相似材料模型不考慮不良地質(zhì)體的影響，僅考慮相似材料模型的自重應(yīng)力，自重應(yīng)力場(chǎng)完全由相似材料的重力施加。根據(jù)模型的前后均無(wú)約束等條件，制作出的模型處于平面應(yīng)力狀態(tài)。

相似模擬試驗(yàn)主要包括選取相似材料并進(jìn)行其配比試驗(yàn)，模型入模澆筑，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，模擬開采過程以及數(shù)據(jù)、圖像的收集和處理［3］。獲得模型材料的最佳配比以后，根據(jù)圖1 制作相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，按照? 中相似比配制相似材料，加水?dāng)嚢杈鶆蜓b入模型架中，成型后及時(shí)拆除模板在常溫下養(yǎng)護(hù)至模型完全風(fēng)干。澆筑模型時(shí)應(yīng)該保證模型的表面平整，嚴(yán)格按照?qǐng)D1 中巖石分類進(jìn)行劃分，同時(shí)應(yīng)該防止混合料離析。在模型風(fēng)干后裝入模擬的崩落散體塊，靜止1 ～3 d 后使其達(dá)到平衡狀態(tài)。制作完成的模型及試驗(yàn)中采用的測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示。

3.4 礦體模擬開采過程

圖2 模型及觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Physical model and observing system

根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，用百分表監(jiān)測(cè)選廠區(qū)域地表沉降，測(cè)點(diǎn)離塌陷坑距離分別為375、250、133、33 mm。用BX2011C1 力學(xué)綜合參數(shù)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)選廠區(qū)域應(yīng)變情況并輔以NTS －362RML全站儀測(cè)試應(yīng)變片位置的沉降。為了實(shí)現(xiàn)2 種采礦方法同時(shí)開采，模型中充填法采用上向水平分層充填法，礦房寬度為2.1 cm(實(shí)際13 m)，礦柱1.2 cm(實(shí)際7 m)，礦房由左至右依次開采，保留礦柱。無(wú)底柱分段崩落回采巷道由左至右布置。在各分段2 種采礦方法之間預(yù)留3.3 cm(實(shí)際20 m)隔離礦柱防止2種方法相互影響。按照表1 中各步驟進(jìn)行開后各步驟開采完成后的模型如圖3 所示。

圖3 各步驟開采后的模型實(shí)物圖Fig.3 Physical model diagrams after different mining steps

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 選廠區(qū)域地表沉降分析

在每個(gè)開采步驟結(jié)束后記錄百分表讀數(shù)，并根據(jù)模型的幾何相似比為600，可以得到選廠區(qū)域的地表實(shí)際沉降情況如圖4 所示。

由圖4 可以看到，采用充填法和無(wú)底柱分段崩落法同時(shí)開采－500 m 水平以上的礦體時(shí)，選廠區(qū)域的最大沉降量為90 mm，分別為3#和4#點(diǎn)，即距離塌陷坑邊緣20 m 和80 m 處。在距離塌陷坑邊緣150 m的2#點(diǎn)處和225 m 的1#點(diǎn)處，地表的沉降量最大值分別為36 mm 和6 mm。表明在開采過程中，選廠區(qū)域地表沉降量與其與塌陷坑的距離負(fù)相關(guān)。

對(duì)于1#點(diǎn)而言，僅在步驟7 后出現(xiàn)沉降，表明－482 m以上開采活動(dòng)對(duì)距離塌陷坑邊緣225 m 以上區(qū)域不產(chǎn)生影響。對(duì)于2#點(diǎn)而言，在步驟6 后沉降12 mm，并在步驟7 后再次沉降24 mm，表明－482 ～－500 m的開采活動(dòng)對(duì)距離塌陷坑邊緣150 m 區(qū)域地表影響較大，－465 m 以上開采活動(dòng)則對(duì)該區(qū)域無(wú)影響。對(duì)于3#點(diǎn)而言，在步驟1 后沉降6 mm，并在后續(xù)步驟中依次沉降12、18、18、18、18、6、12 mm，表明開采活動(dòng)初期對(duì)距離塌陷坑邊緣80 m 區(qū)域地表即產(chǎn)生影響，－412 ～－465 m 之間的開采活動(dòng)則對(duì)該區(qū)域影響較大。對(duì)于4#點(diǎn)而言，在步驟1 后沉降6 mm，并在后續(xù)步驟中依次沉降18、18、24、6、12、6 mm，表明－395 ～－447 m 之間的開采活動(dòng)則對(duì)該區(qū)域影響較大。

此外，全部步驟開采結(jié)束之后通過全站儀測(cè)得應(yīng)變片CH1 ～CH6 處(即近地表區(qū)域巖體)沉降分別為12、18、42、60、78、78 mm。對(duì)比百分表測(cè)得的地表沉降與全站儀測(cè)得的近地表巖體沉降情況與其距塌陷坑的距離可得圖5。

圖5 選廠區(qū)域地表與近地表沉降情況與其距離塌陷坑邊緣的距離對(duì)比Fig.5 Comparison of surface and subsurface subsidence of dressing plant area with the distance from collapse pit edge

圖5 表明，選廠區(qū)域近地表巖體的沉降值普遍小于地表的沉降值，說明采礦活動(dòng)引起的沉降與埋深有關(guān)。但是近地表巖體和地表的沉降情況與塌陷坑邊緣的距離的關(guān)系十分相似，沉降值與該距離負(fù)相關(guān)。說明全站儀輔助監(jiān)測(cè)起到了較好的作用。

上述分析結(jié)果表明，采用充填法回收保安礦柱，同時(shí)在相同階段用無(wú)底柱分段崩落法回采保安礦柱以外的礦體對(duì)于開采－500 m 水平以上的礦體是有利的。充填法可以很好地控制地表沉降，運(yùn)用該方法回收保安礦柱對(duì)于距離塌陷坑邊緣150 m 以上范圍的地表能夠起到很好的保護(hù)作用。但是在20 ～150 m 范圍內(nèi)由于崩落散體施加于塌陷坑邊坡上的重力作用，使得該區(qū)域的沉降遠(yuǎn)大于150 m 以外區(qū)域的沉降。此外，隨著采深的不斷增加，地表的沉降量有逐漸增大的趨勢(shì)。

4.2 近地表區(qū)域應(yīng)變情況分析

應(yīng)變儀記錄各步驟開采過程中標(biāo)號(hào)為CH1 ～CH6 應(yīng)變片的應(yīng)變，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 各步驟開采近地表巖體應(yīng)變情況Fig.6 Subsurface rock strain of dressing plant area after different mining steps

分析圖6 可知，首先，近地表區(qū)域的應(yīng)變值基本上為正值，表明在開采過程中近地表區(qū)域巖體的應(yīng)變以拉為主。此外，應(yīng)變值由CH1 ～CH6 有逐漸變大的趨勢(shì)，表明離塌陷坑越近的區(qū)域，其受到地下采礦活動(dòng)影響越大，這一結(jié)論與地表沉降趨勢(shì)一致。CH1、CH2 位置的應(yīng)變值很小，表明該區(qū)域巖體在開采過程受到的擾動(dòng)較小，較為穩(wěn)定。CH3、CH4 應(yīng)變值較小，在整個(gè)開采活動(dòng)過程中變化幅度不大，表明該區(qū)域巖體受到開采活動(dòng)的影響但是影響作用不大。CH5、CH6 應(yīng)變值相對(duì)較大，在開采活動(dòng)中變化幅度較大，并有一定的波動(dòng)，表明地下采礦活動(dòng)很大程度上影響了該區(qū)域的近地表范圍巖體。

5 結(jié) 論

(1)采用充填法回收保安礦柱，同時(shí)在相同階段用無(wú)底柱分段崩落法回采保安礦柱以外的礦體可以很好地控制選廠區(qū)域地表的沉降，特別是距離塌陷坑邊緣150 m 以上的區(qū)域基本不會(huì)受到地下采礦活動(dòng)的影響，同時(shí)距離塌陷坑20 m 以上范圍內(nèi)地表的沉降值不大，可以保證塌陷坑范圍不發(fā)生變化。

(2)采用上述2 種方法同時(shí)開采，距離塌陷坑邊緣越遠(yuǎn)，其受到地下采礦活動(dòng)的影響也越小，選廠區(qū)域近地表范圍內(nèi)巖體的應(yīng)變情況也遵循這一規(guī)律。

(3)試驗(yàn)中充填體的接頂率以及充填體的密實(shí)度較高，一定程度上減少了地表的沉降。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該適當(dāng)提高充填接頂率以及充填體的密實(shí)度。

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