孫 杰,任海鋒
(1.招金礦業(yè)股份有限公司,山東招遠(yuǎn)265414;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)
點(diǎn)柱式上向水平分層充填法充填采場(chǎng)穩(wěn)定性研究
孫 杰1,任海鋒2,3
(1.招金礦業(yè)股份有限公司,山東招遠(yuǎn)265414;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)
為了確保大尹格莊金礦采場(chǎng)安全,提高資源回收率,對(duì)-380、-496、-556、-616水平一些采場(chǎng)礦柱進(jìn)行調(diào)查,總結(jié)發(fā)現(xiàn)礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制,呈現(xiàn)不同的破壞模式,大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面、節(jié)理組與礦柱斜交、節(jié)理面平行于頂板;建立了礦柱寬度、礦房頂板跨度及礦體開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式,分析得到礦柱寬度對(duì)礦柱安全系數(shù)的影響作用最大,其次為礦體開(kāi)采深度,最后為礦房頂板跨度;對(duì)目標(biāo)采場(chǎng)礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),得到各礦柱的安全系數(shù),圈定出了不穩(wěn)定礦柱;最后對(duì)-616水平頂板極限跨度及礦柱尺寸進(jìn)行計(jì)算得到頂板極限跨度為8.2m,礦柱寬度應(yīng)大于4.1m。
礦柱;穩(wěn)定性;破壞模式;安全系數(shù)
隨著我國(guó)地下采礦技術(shù)的快速發(fā)展,深部采礦已是不可避免的發(fā)展趨勢(shì),但是隨著開(kāi)掘深度逐漸增加,地壓等問(wèn)題逐漸凸顯,直接威脅到采場(chǎng)的穩(wěn)定性。采場(chǎng)的穩(wěn)定性取決于頂柱和礦柱的穩(wěn)定[1-4],其是采場(chǎng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體。礦山地下回采后,隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大,礦巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破,應(yīng)力的重新分布隨著地下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到了巖體本身的極限臨界強(qiáng)度時(shí),巖體便會(huì)發(fā)生破壞。由于開(kāi)采深度的增加,作用在礦柱上的地應(yīng)力也隨之增大,造成礦柱發(fā)生不同程度的破壞。采場(chǎng)頂板巖體與礦柱的穩(wěn)定性對(duì)上向點(diǎn)柱式開(kāi)采采場(chǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[5-8],因此,對(duì)采場(chǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體進(jìn)行穩(wěn)定性理論分析,正確選取合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)于采場(chǎng)的安全性和礦山效益具有著重要的意
義[9-11]。
大尹格莊金礦2#礦體為該礦主要礦體。由于地面膠結(jié)系統(tǒng)未及時(shí)形成,該礦仍沿用最初的上向水平點(diǎn)柱式非膠結(jié)充填采礦方法,其回采步驟如圖1所示。
圖1 回采步驟示意圖Fig.1 Diagram of mining steps
但此類采礦方法對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性要求較高,采用點(diǎn)柱式護(hù)頂,容易形成采場(chǎng)整體性失衡;并且隨著開(kāi)采深度的加深,采場(chǎng)地壓加大以及上盤(pán)斷層帶的影響擴(kuò)大,使各采場(chǎng)的安全形式日益嚴(yán)峻;為了確保大尹格莊金礦采場(chǎng)安全,極大地回收礦山資源,有必要對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
為保證礦山下一步生產(chǎn)安全進(jìn)行,對(duì)-380四、六分段,-496五分段、-556一分段、二分段以及-616一分段、二分段各采場(chǎng)等進(jìn)行實(shí)地考察,并對(duì)采場(chǎng)礦柱所處形態(tài)進(jìn)行素描,總結(jié)其破壞模式及破壞規(guī)律。以-616一分段85線為例,其礦柱素描圖以及礦柱形態(tài)描述見(jiàn)圖2所示。
圖2 -616水平85線礦柱形態(tài)Fig.2 Pillar forms of line 85at the-616level
由圖2可以看出,-616水平85線節(jié)理發(fā)育完全,這也是礦柱發(fā)生破壞的主要原因,并且多數(shù)礦柱已破壞失效。6#礦柱寬度已嚴(yán)重不足4m,呈倒錐形且破壞嚴(yán)重,3#、4#、5#、6#礦柱跨度過(guò)大,以致5#、6#礦柱應(yīng)力集中過(guò)大,使礦柱破壞嚴(yán)重。某些礦柱雖然沒(méi)有明顯破壞,但是礦柱表面節(jié)理發(fā)育,容易受到爆破或其它工程擾動(dòng)發(fā)生失穩(wěn)破壞,例如1#礦柱。由于不同區(qū)域的礦巖地質(zhì)條件和受力狀態(tài)不同,因而礦柱的破壞形狀也不相同,礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制,所呈現(xiàn)的礦柱破壞模式大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面(如假1號(hào)礦柱)、節(jié)理組與礦柱斜交(如5#、7#、1#等礦柱)、節(jié)理面平行于頂板(如3#礦柱)。對(duì)于完整性較好的礦柱,即受地質(zhì)構(gòu)造影響較小的礦柱,其穩(wěn)定性主要取決于本身受力狀態(tài)以及內(nèi)部裂隙發(fā)育狀態(tài)。
綜合各個(gè)采場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)多年的無(wú)序開(kāi)采,井下采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜,預(yù)留的礦柱形狀多種多樣,尺寸大小不一,雖然井下并未出現(xiàn)大面積的地壓活動(dòng),但在局部時(shí)常出現(xiàn)頂板巖層冒落、礦柱開(kāi)裂或片幫等現(xiàn)象,尤其靠近上盤(pán)斷層附近的采場(chǎng),頂板較破碎,即使采取了錨索支護(hù),常發(fā)生楔形礦體滑落,因此急需對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高回收率的同時(shí)避免發(fā)生較大的安全事故。
利用該礦現(xiàn)行采礦方法回采礦體時(shí),地應(yīng)力受擾動(dòng)后會(huì)轉(zhuǎn)移到預(yù)留礦柱上。所以,進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性分析主要從礦柱載荷、承載強(qiáng)度、礦房與礦柱尺寸(高度與寬度)等方面進(jìn)行。
3.1 礦柱穩(wěn)定性影響因素
影響礦柱穩(wěn)定性的因素較多,在進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)所考慮的影響因素主要有:1)礦柱受載荷大?。?)礦柱的高寬比;3)礦房尺寸與礦柱尺寸;4)構(gòu)造因素;5)礦柱自身強(qiáng)度,主要決定于其單軸抗壓和抗剪強(qiáng)度,即巖體本身的c、φ值;6)礦體開(kāi)采深度;7)上覆巖層容重;8)其它因素,如爆破動(dòng)載、開(kāi)采強(qiáng)度等對(duì)于采場(chǎng)穩(wěn)定性影響也較為顯著。
3.2 礦柱荷載分析研究
對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行研究,確定礦柱所承受荷載是礦柱穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)礦柱載荷分析提出了許多假設(shè)和分析,包括壓力拱理論、Wilson理論及面積承載理論等[12]。本文采用應(yīng)用范圍較廣泛的面積承載理論進(jìn)行礦柱荷載的分析研究。礦柱截面積承載理論的實(shí)質(zhì)就是礦柱所承受的荷載是其所支撐的頂柱范圍內(nèi)直通地表的上覆巖層的重量與礦柱本身重量之和。根據(jù)大尹格莊金礦采場(chǎng)現(xiàn)狀,采場(chǎng)回采完畢后,礦柱基本為方形點(diǎn)柱,則其荷載公式為:
式中:σp—礦柱荷載;γ—上覆巖層容重;H—礦體開(kāi)采深度;Wo—頂板跨度;Wp—礦柱寬度。
3.3 礦柱承載強(qiáng)度
礦柱穩(wěn)定性分析中必須面對(duì)兩個(gè)十分重要的問(wèn)題,即尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)。巖石力學(xué)試驗(yàn)告訴我們,試件的尺寸越大,其各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)就越低,一些學(xué)者結(jié)合理論分析提出了10余種礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式,然而每個(gè)礦柱計(jì)算公式都是在特定的條件下得出的??紤]到大尹格莊金礦圍巖和礦體性質(zhì),這里選擇適用于硬巖的Sjoberg公式作為礦柱強(qiáng)度的計(jì)算公式。
式中:w—礦柱寬度;h—礦柱高度。
3.4 礦柱安全系數(shù)
安全系數(shù)的選取直接關(guān)系到礦柱載荷與礦柱承載強(qiáng)度公式的選取,不同的礦柱強(qiáng)度公式、不同的開(kāi)采方法以及不同的地表情況,對(duì)礦柱安全系數(shù)的要求可能不同。根據(jù)礦山現(xiàn)階段實(shí)際采礦條件,每個(gè)循環(huán)向上開(kāi)采的高度相對(duì)穩(wěn)定,可認(rèn)為采場(chǎng)中礦柱的高度為一定值,根據(jù)以上所述礦柱載荷與礦柱承載強(qiáng)度可建立礦柱寬度、頂板跨度及采場(chǎng)埋深與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式:
對(duì)于同一分段的同一采場(chǎng),采場(chǎng)埋深可視為恒定,以-496m水平采場(chǎng)為例,將礦柱高度與開(kāi)采深度賦以定值后可得到采場(chǎng)頂板跨度、礦柱尺寸與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系圖,如圖3所示。
從圖中可以看出,隨著礦柱寬度的增加,礦柱安全系數(shù)明顯加大;隨著頂板跨度的增大,礦柱安全系數(shù)逐漸降低,但趨勢(shì)較礦柱安全系數(shù)隨礦柱寬度的變化平緩。因此可以得到礦柱寬度對(duì)礦柱安全系數(shù)的影響作用更大。當(dāng)?shù)V柱的寬度小于4m時(shí),礦柱安全系數(shù)均小于1,反映了礦柱寬度小于4m時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定性極差,因此在礦柱尺寸設(shè)計(jì)時(shí),礦柱寬度不宜小于4m。同時(shí)隨著礦房跨度的增大,需要預(yù)留更寬的礦柱以保證礦柱安全系數(shù)大于1,如此會(huì)造成礦石回收率大幅度下降,因此在進(jìn)行礦房參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮選擇合適的礦房跨度。
圖3 采場(chǎng)參數(shù)與安全系數(shù)關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the stope parameters and safety factor
若規(guī)定礦柱寬度為一確定值,則可以得到頂板跨度、礦體開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)關(guān)系趨勢(shì)面,由于篇幅原因,這里不再列出。分析可知:礦體開(kāi)采深度對(duì)礦柱安全系數(shù)的影響作用明顯大于頂板跨度對(duì)礦柱安全系數(shù)的影響,說(shuō)明礦柱安全系數(shù)對(duì)礦體開(kāi)采深度更加敏感。
綜合以上分析可以得到:礦柱安全系數(shù)對(duì)礦柱寬度最敏感,其次為礦體開(kāi)采深度,最后為頂板跨度。
3.5 礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
以-496水平為例,對(duì)該分段各采場(chǎng)礦柱進(jìn)行調(diào)查,利用上述礦柱安全系數(shù)與礦柱寬度、頂板跨度關(guān)系計(jì)算其安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 礦柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculation results of pillars stability
由表1計(jì)算結(jié)果可知,1#礦柱、3#、5#、6#礦柱安全系數(shù)接近或超過(guò)1.5,屬于穩(wěn)定礦柱,不易受到外界條件擾動(dòng)而發(fā)生破壞失穩(wěn)。4#、10#、12#礦柱安全系數(shù)雖然越過(guò)1,但安全系數(shù)較低,屬于較穩(wěn)固礦柱,然而在爆破振動(dòng)等條件下,礦柱穩(wěn)固性會(huì)變差,容易發(fā)生破壞失穩(wěn)。
8#、9#礦柱安全系數(shù)較低,均未超過(guò)1,由于在礦柱邊緣處應(yīng)力集中較大,同時(shí)受到爆破振動(dòng)的影響,礦柱邊緣極易發(fā)生破裂,失去承載能力,進(jìn)而影響礦柱內(nèi)部,直到使礦柱核部失去承載能力,采場(chǎng)失穩(wěn)。若一個(gè)礦柱發(fā)生破壞,容易造成相鄰礦承載應(yīng)力加重,引起礦柱破壞連鎖反應(yīng)。2#礦柱、7#礦柱、11#號(hào)礦柱安全系數(shù)均小于1,因此其情況與8#、9#兩個(gè)礦柱安全形勢(shì)相似,需對(duì)礦柱不穩(wěn)定區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)以保證其安全性。
利用同樣的方法可以對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)其他礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),圈定不穩(wěn)定礦柱,對(duì)井下采礦作業(yè)具有重要的意義。
4.1 基于拉應(yīng)力條件求解極限跨度
目前大尹格莊金礦傾角為20°~40°,開(kāi)采深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)采跨度3倍以上,根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)可知,礦房頂板中心部位的拉應(yīng)力最大,只有當(dāng)跨度很小的時(shí)候,頂板才處于壓應(yīng)力。隨著跨度的增加,拉應(yīng)力增大,并且拉應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)有關(guān),隨著側(cè)壓系數(shù)的加大而變小。頂板中心的拉應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)公式為:
式中:H—采場(chǎng)距地表高度;γ—巖石容重;λ—側(cè)壓系數(shù);a—礦房跨度。
將上式中的拉應(yīng)力換為許用拉應(yīng)力值[σt],可得到計(jì)算礦房極限跨度的公式。
目前礦山開(kāi)采已開(kāi)采至-616水平,根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算得到大尹格莊金礦-616水平極限跨度為8.2m。
4.2 礦柱尺寸設(shè)計(jì)
礦柱計(jì)算中一般不考慮礦柱自重,只有當(dāng)?shù)V柱很高時(shí)才考慮其自重。保證礦柱強(qiáng)度所必需的截面積,可按許用承載強(qiáng)度計(jì)算:
式中:S—礦柱支撐面積;γ—覆巖容重;H—采場(chǎng)距地表深度;k—載荷系數(shù);kf—礦柱的形狀系數(shù);s—礦柱橫截面積;σ0—礦柱礦石單向抗壓強(qiáng)度;n—安全系數(shù)。
針對(duì)大尹格莊金礦-616水平,根據(jù)上述公式,取kf=1.2,側(cè)壓系數(shù)λ取0.75,k取0.6,安全系數(shù)n取2,可以得到礦柱寬度應(yīng)滿足的條件為a≥4.1m。
根據(jù)以上理論計(jì)算得到了礦柱及頂板的結(jié)構(gòu)參數(shù),但是這是基于單跨進(jìn)行的計(jì)算,對(duì)于多跨開(kāi)采,應(yīng)力分布是非常復(fù)雜的,一般的理論計(jì)算無(wú)法完成,因此需要采用數(shù)值模擬或其它方法對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。
1)隨著開(kāi)采深度增加,礦柱的破壞逐漸加劇,造成礦柱破壞的主要因素是深部礦體發(fā)育節(jié)理以及高地壓。
2)礦柱受結(jié)構(gòu)面的方向控制所呈現(xiàn)的破壞模式大致可分為節(jié)理組平行礦柱壁面、節(jié)理組與礦柱斜交、節(jié)理面平行于頂板。
3)建立了礦柱寬度、礦房頂板跨度及礦體開(kāi)采深度與礦柱安全系數(shù)的關(guān)系式,通過(guò)分析礦柱寬度對(duì)礦柱安全系數(shù)的影響作用最大,其次為礦體開(kāi)采深度,最后為礦房頂板跨度。
4)對(duì)各采場(chǎng)礦柱進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià),圈定出了不穩(wěn)定礦柱,對(duì)于安全系數(shù)小于1的礦柱,需加強(qiáng)該處的支護(hù)強(qiáng)度,保證采礦作業(yè)的安全性。
5)通過(guò)理論計(jì)算得到大尹各莊金礦-616水平頂板極限跨度為8.2m,礦柱寬度應(yīng)大于4.1m。
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Study on filling stope stability of upward horizontal slicing filling method with point pillars
SUN Jie1,REN Haifeng2,3
(1.Zhaojin Mining Industry Co.,Ltd.,Zhaoyuan Shandong 265414,China;2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,Beijing 100083,China;3.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
In order to ensure the stope safety of Dayingezhuang Gold Mine and improve resource recovery,through investigating some stope pillars on the level of-380,-496,-556,-616,it is concluded that parts of pillars controlled by structure of direction showing different failure modes which can be divided into parallel between joint and pillars,skew between joint set and pillars and parallel between joint and roof.Through establishing the relationship between width of pillar,stope span,mining depth and safety coefficient of pillars,the result shows that the effect of pillar width on safety coefficient is the most important one,followed by mining depth,and the last one is stope span.Through evaluating the stability of pillars,safety coefficient of every pillar and unstable pillars are got.Finally by means of calculating,the conclusion can be drawn that the minimal roof span is 8.2meters and the width of the pillar should be greater than 4.1meters.
pillar;stability;failure mode;safetycoefficient
TD853.34
Α
1671-4172(2015)04-0019-05
10.3969/j.issn.1671-4172.2015.04.005
孫杰(1964-),男,工程師,采礦工程專業(yè),主要從事金礦采礦研究工作。