張賀庭

(淮北徐樓礦業(yè)有限公司)

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基于力學模型計算徐樓鐵礦帷幕注漿厚度

張賀庭

(淮北徐樓礦業(yè)有限公司)

摘要近礦帷幕注漿采場頂板形成的防滲帷幕體，既具有防滲阻水的作用，又具有承受上部荷載的作用，因此帷幕體的厚度顯得尤為重要。以徐樓鐵礦帷幕注漿為例，結(jié)合斷裂力學的Westergaard應力函數(shù)及薄板彎曲變形結(jié)構(gòu)的力學特征，建立了近礦頂板注漿帷幕厚度的力學模型，基于該模型計算了徐樓鐵礦頂板帷幕注漿的厚度。該力學模型為頂板注漿帷幕厚度分析提供了一條新的途徑。

關鍵詞近礦帷幕注漿采場頂板力學模型

徐樓礦區(qū)位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，礦區(qū)為沖積平原，地勢平坦，地表海拔約30 m。徐樓礦區(qū)石樓礦床一礦帶位于閃長巖與大理巖連接帶或其附近的大理巖內(nèi)。礦體埋藏于侵蝕基準面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體頂?shù)装寤緸榇罄韼r，而大理巖便為巖溶裂隙含水層，該含水層埋藏于地表以下42～120 m處，厚40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發(fā)育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。在石樓一礦帶開采過程中，若第四系砂層孔隙水不進入礦坑，該礦坑涌水主要為巖溶裂隙水，流向集水坑道的地下水呈平面流形式。在不采取任何治水措施的前提下，晝夜涌水量超過30 000 m3；若顧及四系砂層水，則晝夜涌水量超過100 000 m3。因此，要實現(xiàn)成功開采，須有效治水，通過方案論證選擇近礦帷幕注漿方案。本研究結(jié)合前人相關研究成果，通過構(gòu)建力學模型計算該礦帷幕注漿厚度。

1　近礦體帷幕厚度力學模型構(gòu)建

1.1帷幕厚度模型

根據(jù)礦體頂板注漿帷幕的作用機理，注漿帷幕厚度可分為：①無效厚度(h1)，靠近采空區(qū)，在采礦爆破作業(yè)、采空區(qū)四周應力重分布引起應力集中的情況下，注漿帷幕體在該范圍內(nèi)形成的裂隙帶，無法發(fā)揮有效的隔水作用；②有效厚度(h2)，相對遠離采空區(qū)，受采礦作業(yè)的影響較小，為完整的隔水體，為防滲阻水和維持采場頂板穩(wěn)定的主體(圖1)。

1.2無效厚度假設條件及計算

假設條件：①采空區(qū)破壞后形成大裂紋，裂紋四周即為近礦帷幕體；②將注漿堵水帷幕體分為有效和無效兩部分；③破壞準則為摩爾-庫侖準則；④采場邊界條件滿足采場上下表面無應力、采場左右邊緣存在應力集中、遠離采空區(qū)應力集中消失等條件?；谏鲜黾僭O，帷幕邊緣的應力以Westergaard應力函數(shù)[1-3]為基礎，可推導出帷幕無效厚度(h1)的計算公式

圖1　徐樓鐵礦近礦帷幕厚度概化模型

(1)

式中，γ為注漿帷幕上覆巖體的平均容重，kN/m3；H為采場的最大埋深；Lx為采場暴露長度m；θ為破壞點與水平方向的夾角，采場頂板夾角為90°；Rc為帷幕注漿體抗壓強度，MPa。

1.3有效厚度假設條件及計算

有效厚度假設條件：①符合彈塑性力學，其變形近似薄板的彎曲變形；②滿足H·Treasca屈服準則[1-3]。依據(jù)彈性力學薄板理論，以板中的撓曲函數(shù)為基礎，可推導出帷幕有效厚度(h2)的計算公式

(2)

式中，Lx、Ly為采場暴露尺寸(長、寬)，m;P為靜水水壓，MPa；GH為垂向應力，MPa；v為注漿帷幕體的泊松比；τ為注漿帷幕隔水體的平均抗剪強度，MPa。

2　近礦帷幕厚度計算

2.1注漿帷幕范圍

帷幕分布于-26～-125 m水平，垂直高度為100 m；帷幕長度從-100 m水平東部探礦巷西端至-45 m水平6-2#回風穿脈，長約360 m。該堵水工程是在井下硐室和巷道施工鉆孔并進行注漿，在礦體頂板附近形成隔水帷幕，封堵礦體外圍地下水。

2.2帷幕厚度力學計算參數(shù)選取

徐樓鐵礦一礦帶盤區(qū)小礦房開采采用分段空場法，一次性暴露面積長(Lx)38 m，寬(Ly)10 m，礦體產(chǎn)于大理巖與閃長巖的接觸帶，大理巖為礦體的直接頂板，為礦區(qū)一含水層，水頭高于地表0.6～0.8 m，為承壓巖溶裂隙水。礦區(qū)地面標高約30 m，回風巷最低標高-58 m，作用于頂板的靜水壓水頭為88.8 m，按90 m計算，靜水壓取0.9 MPa；注漿帷幕上覆巖體的平均容重27 kN/m3；注漿帷幕體主要位于大理巖體中，大理巖的飽和抗壓強度為44.17 MPa，按60%折減，取允許抗壓強度2 650 kN/m2；注漿帷幕體的泊松比取0.31；注漿帷幕體的抗剪強度取大理巖允許抗壓強度的1/10，允許抗剪強度取265 kN/m2；采場最大埋深取88 m。

2.3注漿帷幕體厚度計算

將上述參數(shù)代入式(1)、(2)，計算得出注漿帷幕的無效厚度(h1)為5.4 m，有效厚度(h2)為15.6 m，帷幕注漿的總厚度(h)為21 m。

3　結(jié)　語

以徐樓鐵礦為例，構(gòu)建了近礦頂板注漿帷幕厚度力學模型，基于該模型計算得出的徐樓鐵礦石樓礦床注漿帷幕的厚度為21 m，考慮一定的安全系數(shù)，注漿帷幕設計實施厚度為25 m。近年來的開采實踐表明，井下涌水量在實施帷幕注漿后減少了85%，成效顯著，對于類似礦山有一定的參考價值。

參考文獻

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[3]韓偉偉，李術才，張慶松，等.礦山帷幕薄弱區(qū)綜合分析方法研究[J].巖石力學工程學報，2013，32(3)：512-519．

(收稿日期2016-05-31)

張賀庭(1985—)，男，助理工程師，235100 安徽省淮北市濉溪縣百善鎮(zhèn)。