董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心, 云南昆明 650600)

晉寧磷礦地下開采相似模擬試驗研究

董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心, 云南昆明 650600)

以晉寧磷礦6號坑為研究對象,采用相似模擬試驗方法,對緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉(zhuǎn)地下充填法開采后的采場變形規(guī)律、破壞方式和邊坡穩(wěn)定性進行了分析研究,結(jié)果表明:在地下開采過程中,采空區(qū)上方邊坡的穩(wěn)定性會隨著開采的推進而逐漸降低,當開采至邊坡坡腳附近時,邊坡的位移和應力變化比較劇烈,邊坡的穩(wěn)定性下降也相對較大。因此,在地下開采過程中,加強采空區(qū)上方邊坡的監(jiān)測對于邊坡的穩(wěn)定和地下采場的安全具有重要意義。

相似模擬試驗;露天轉(zhuǎn)地下開采;充填采礦法;邊坡穩(wěn)定性

0 引 言

緩傾斜薄至中厚礦體的地下開采,在國內(nèi)外一直是一個難題。當?shù)V床頂?shù)装鍢O不平整、礦巖破碎松軟時,開采難度更大。國內(nèi)許多學者應用不同的方法對充填開采時邊坡及圍巖穩(wěn)定性做了深入研究[1-2]。研究表表明,充填體有效改善了采空區(qū)的應力條件,降低了應力集中程度,對圍巖、頂板的支護效果十分明顯。尹光志,陳沖等[3-9]對地下開采邊坡和圍巖變化情況作了模擬試驗研究及分析,發(fā)現(xiàn)頂板圍巖變形從外到內(nèi)表現(xiàn)為:外部沿層面滑動,中部沿層面向下移動,內(nèi)部向采空區(qū)彎曲;從上到下表現(xiàn)為:上部沿層面滑動,中部沿層面向采空區(qū)彎曲,下部豎直向下滑動。李小雙,蔡彬亭等[10-11]對云磷集團磷礦體做了相似材料配比試驗研究,研究表明,以砂子、石膏和碳酸鈣作為基礎(chǔ)骨料,以塑料、軟膠、機油、鋸末粉作為調(diào)劑材料,以自來水作為調(diào)解溶液混合制作而成的相似模型材料,可以較好地模擬磷礦體。王云飛,江君等[12-15]針對地下開采對邊坡穩(wěn)定性的影響做了研究和分析,指出圍巖破壞程度隨著開采深度的增加遞增,塑性區(qū)范圍不斷擴大,剪切破壞主要集中在兩側(cè)邊坡的坡腳部位。

本文針對晉寧磷礦緩傾斜薄至中厚礦體,以6號坑(122－138＃)勘探線為研究對象,采用相似模擬試驗方法,對緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉(zhuǎn)地下充填采礦法開采后的采場變形規(guī)律、破壞方式和邊坡穩(wěn)定性進行了分析研究。通過試驗研究,分析了采場頂?shù)装鍛筒煽諈^(qū)上方邊坡位移變化情況,為工程建設提供了設計依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 相似模擬試驗模型

(1)試驗對象區(qū)域選擇。選取晉寧磷礦134號勘探線中重點研究的640m×400m區(qū)域作為本次試驗的原型(見圖1)。

圖1 晉寧磷礦6號坑134號剖面簡圖

(2)模型選擇。露天轉(zhuǎn)地下開釆是一個較為復雜的力學行為,若采用三維模型系統(tǒng)進行研究,則不利于應力及變形的觀測且制作較復雜。采用二維模型則可以直觀的研究特定斷面的應力與變形特征,且制作較為簡單,并且地下開采在二維上是一個平面應變模型,如若采用平面應力進行測試,則會產(chǎn)生應力應變不具有相似性的結(jié)果,對實際開采的指導意義不大,因此,本試驗采用平面應變相似模擬試驗。

(3)相似材料選擇。依據(jù)實際地層巖體條件,巖體質(zhì)量級別為Ⅳ級,巖體質(zhì)量定性特征為:較堅硬,巖體破碎。根據(jù)巖體質(zhì)量,試驗選擇相似材料為重晶石粉、砂、洗衣液、石膏、水。

1.2 開采方案

結(jié)合晉寧磷礦6號坑深部礦體實際的地質(zhì)采礦條件,根據(jù)開采對象及礦體開采技術(shù)條件,礦層頂板部分存在風化,穩(wěn)固性較低,由于地表不允許崩落,同時,前期露天開采地表存在大量剝離廢石,在不影響安全的前提下,設計采用廢石充填可以獲得比較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

設計采用上向分層開采廢石充填采礦法進行開采。首先回采底部兩個分層的礦石,分層高度4.3 m,隨后充填一個分層,形成4.3m高的底部作業(yè)空間,之后回采一個分層,充填一個分層,直至中段開采結(jié)束。根據(jù)確定的開采方案,在試驗中,由于模型試驗尺寸較小,所以進行簡化,分5步開采和5步充填(見圖2)。

圖2 試驗中的開采方案

2 試驗結(jié)果分析

整個試驗過程中的監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理主要針對應力規(guī)律、位移規(guī)律以及變形破壞特征進行分析。

2.1 位移變化特征

通過數(shù)碼照相與PIV圍巖應變場量測技術(shù)和位移傳感器地表位移量測技術(shù),分析5步開采和充填位移變化特征為:

(1)根據(jù)圖3可知,隨著開采的進行,右側(cè)邊坡坡頂?shù)呢Q向位移發(fā)生明顯變化。在開采較深的1～3步過程中,右側(cè)邊坡坡頂?shù)奈灰圃鲩L緩慢,而在開采進行到靠近地表時,即開采4和開采5步,豎向位移增長較大,第5步開采完畢后位移達到1.43mm (相當于實際中的0.286m)。左側(cè)邊坡坡頂?shù)呢Q向位移在開采過程中基本不變,受到開采的影響較小。坡腳位置的豎向位移,由于受到右側(cè)邊坡坡體的擠壓作用,位移方向向上,幅度較小。

圖3 左右側(cè)坡頂及坡腳豎向位移歷時曲線(向下為正)

(2)根據(jù)圖4可知,右側(cè)邊坡隨著開采的進行,位移呈逐漸增大趨勢,方向主要是朝著采空區(qū)的方向,呈現(xiàn)出斜下方的位移趨勢。在靠近采空區(qū)的邊坡位移較大,距離采空區(qū)較遠的邊坡位移較小;左側(cè)邊坡在開采過程中,邊坡內(nèi)部位移變化較小,可認為地下開采對于左側(cè)邊坡的影響較小。

圖4 右側(cè)及左側(cè)邊坡位移

2.2 應力變化特征

通過微型土壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀,記錄模型中的應力變化,分析應力變化特征:

(1)根據(jù)圖5可知,隨著開采的進行,由于采空區(qū)的形成,圍巖由三向狀態(tài)變?yōu)殡p向狀態(tài),使原始應力平衡狀態(tài)破壞,導致巖體內(nèi)的應力重新分布,并趨于新的平衡。采空區(qū)上方巖體的頂板垂向應力呈現(xiàn)降低的趨勢,徑向應力的變化規(guī)律是先增長再降低。

(2)根據(jù)圖6,對比頂板應力的變化曲線可知,底板由于開采引起的松動范圍較頂板小,而且隨著開采工程的擴展變化也較頂板小。

圖5 采場頂板應力歷時曲線

圖6 采場底板應力歷時曲線

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)模型試驗和數(shù)值分析的結(jié)果,受地下開采影響較大的是采空區(qū)上方的邊坡。在開采過程中,采空區(qū)上方邊坡的位移和應力均有大幅度的變化,其位移主要方向是朝著采空區(qū)。

(2)地下開采的過程中,采空區(qū)上方邊坡的穩(wěn)定性會隨著開采的進行逐漸降低,當開采至邊坡坡腳附近時,邊坡的位移和應力變化比較劇烈,邊坡的穩(wěn)定性下降也相對較大。因此,在地下開采過程中,加強采空區(qū)上方邊坡的監(jiān)測對于邊坡的穩(wěn)定和地下采場的安全具有重要意義。

[1]雷 銀,李云安,胡麗珍,等.上向分層充填法開采薄礦體的圍巖穩(wěn)定性影響因素分析[J].采礦技術(shù),2015,15(2):33-36.

[2]龐奇志.礦柱回收過程充填體與圍巖穩(wěn)定性及安全監(jiān)控研究[D].北京:中國地質(zhì)大學,2016.

[3]尹光志,李小雙,魏作安,等.邊坡和采場圍巖變形破裂響應特征的相似模擬試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2011 (S1):330-340.

[4]宋衛(wèi)東,王東旭,唐亞男.尖山露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖變形規(guī)律相似模擬實驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2011,31(6):40-43,83.

[5]肖勝祥,陳清運.地下開采巖層變形相似材料模擬的數(shù)值試驗[J].武漢工程大學學報,2011(4):49-52,56.

[6]田維軍.緩傾斜中厚磷礦床地下開采采場礦壓顯現(xiàn)及上覆巖層變形破壞規(guī)律[D].重慶:重慶大學,2010.

[7]宋衛(wèi)東,付建新,王東旭.露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖破壞規(guī)律的物理與數(shù)值模擬研究[J].煤炭學報,2012(2):10-15.

[8]王 鵬.復雜開采條件下覆巖移動和變形規(guī)律的模擬研究[D].山西:太原理工大學,2010.

[9]陳 沖,侯克鵬,者亞雷,等.層狀巖體地下開挖相似模擬試驗研究[J].黃金,2014(9):52-55.

[10]李小雙,李耀基,何 林,等.云磷集團磷礦體相似材料配比試驗[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(2):157-159.

[11]蔡彬亭,李小雙.云磷集團緩傾斜薄至中厚磷礦體相似材料配比試驗研究[J].科技與企業(yè),2013(3):147.

[12]王云飛,鐘福平.露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬與實驗研究[J].煤炭學報,2013,38(1):64-69.

[13]宋衛(wèi)東,杜建華,楊幸才,等.深凹露天轉(zhuǎn)地下開采高陡邊坡變形與破壞規(guī)律[J].北京科技大學學報,2010,32(2):145-151.

[14]張定邦.高陡邊坡與崩落法地下開采相互影響機理模型試驗研究[D].北京:中國地質(zhì)大學,2013.

[15]江 君.地下開采對順層邊坡穩(wěn)定性的影響[D].重慶:重慶大學,2015.

2017-05-15)

董紹斌(1986－),男,云南祥云人,主要從事磷礦高效開采技術(shù)與綜合利用研究,Email:409870499＠qq.com。