周 磊 王 歡
(馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業(yè)公司,安徽馬鞍山243181)
白象山鐵礦擁有儲量豐富的優(yōu)質(zhì)磁鐵礦資源,礦山開采技術條件復雜,是典型的大水礦山,且礦體形態(tài)多變,節(jié)理裂隙發(fā)育,礦巖穩(wěn)固性較差[1-3]。采用以上向進路充填法為主的采礦方法,設計生產(chǎn)能力200萬t/a。白象山鐵礦屬緩傾斜至傾斜中厚以上礦體,水平面積較大,因多中段同時生產(chǎn),各中段之間需預留頂?shù)字? m左右,礦柱所占礦量較多。為盡可能回收寶貴的礦產(chǎn)資源,延長礦山服務年限,對頂?shù)字M行經(jīng)濟、合理、安全的最大限度回收,需要考慮構筑人工假底為未來頂?shù)字厥談?chuàng)造良好的環(huán)境及工程條件。
研究分析不同回采工藝條件下不同厚度和構筑材料人工假底的穩(wěn)定性,選用ANSYS進行數(shù)值分析,確定最優(yōu)的人工假底構筑技術參數(shù)[4-6]。對礦山未來打底充填、提高頂?shù)字夭陕?、提高礦山企業(yè)經(jīng)濟效益、保證經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展均具有十分重要的意義。
人工假底穩(wěn)定性研究采用的方法主要包括彈性“梁”理論、彈性“薄板”理論和承壓拱理論[7-8]。本研究根據(jù)人工假底的結構特性與受力特點,建立“薄板”力學模型來反映人工假底承載層的受力與彎曲形變情況,從而對人工假底的穩(wěn)定性進行深入的分析與研究,進而優(yōu)化確定人工假底工藝參數(shù)。
將礦體或充填體構成進路側幫視為彈性基礎,而人工假底中的承載層視為在彈性基礎之上由彈性介質(zhì)組成的彈性“薄板”。建立如圖1所示的承載層“薄板”空間模型,并進一步簡化成如圖2所示的平面力學模型進行應力分析。
如圖3所示,沿OW軸做剖面將承載層分為x≥0和x≤0左右兩部分,在OO'剖面上,承載層的彎矩為 M0,承載層的切向剪力為T0。
由材料力學彈性“薄板”理論,可得當0≤x≤l時,在x=0處,承載層所受的彎矩有極大值(不考慮彎矩作用方向):
其中,
式中,M為進路高度;El為承載層彈性模量;Ej為進路側幫的彈性模量;μ為承載層的泊松比;h為承載層高度。
最大拉應力發(fā)生在承載層下表面O'處,其值為
承載層所受的最大拉應力發(fā)生在x=xA處,其值為
白象山鐵礦中段間頂?shù)字穸葹? m左右,未來頂?shù)字厥辗椒ㄒ赃M路充填法為主,考慮到礦山當前普通進路寬度一般為4 m,故選定如下幾組模型進行人工假底穩(wěn)定性分析:①進路規(guī)格4 m×5 m;②構筑材料,C15混凝土、2 MPa充填體(記為A2)、4 MPa充填體(記為B4);③人工假底厚度為0.2~2 m。
根據(jù)材料力學的組合“梁”原理,如圖4所示,可計算第n層充填體對第1層充填體(承載層)形成的載荷:
式中,E1、E2、…、En為各層充填體的彈性模量;n為充填體的層數(shù);h1、h2、…、hn為各層充填體厚度;γ1、γ2、…、γn為各層充填體容重。需要注意的是,當出現(xiàn)q(n+1)-1<qn-1情形時,普通充填層(位于承載層上層)具有自我支撐作用,故承載層僅受到其自身的自重作用,不應將普通充填層的載荷再附加至計算中,因此將qn-1作為作用于承載層的載荷。
所用巖體力學參數(shù)來自于礦山初步設計給出的相關數(shù)據(jù),而充填體力學參數(shù)則來源于礦山實測數(shù)據(jù),如表1所示。礦巖破壞形式主要是受拉破壞,在人工假底穩(wěn)定性分析中,主要考慮頂?shù)字g隔回采過程中,不同形式人工假底中拉應力變化情況??紤]到節(jié)理裂隙、圍巖破碎等因素,人工假底的穩(wěn)定性必須具有足夠的安全儲備才能得以保障,在此引入承載層的安全系數(shù)指標η(材料極限抗拉強度與承受最大拉應力之比)表示其安全穩(wěn)定性:安全系數(shù)η<1,人工假底會發(fā)生破壞;當η=1時,人工假底處于臨界狀態(tài),極有可能發(fā)生冒落;η≥2.5時,人工假底穩(wěn)定性良好,可保證進路的安全回采。
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根據(jù)上述計算模型,分析計算C15混凝土、A2及B4充填體3種材料構筑的人工假底在不同承載層厚度條件下受力彎曲及安全穩(wěn)定性情況,相關計算結果匯總于圖5~圖10。計算中,進路斷面尺寸取為4 m×5 m,進路半寬l=2 m;一步回采時,進路側幫支柱均為預留頂?shù)字V體,彈性模量59 GPa;二步回采時,進路側幫支柱變?yōu)橐汛_定性質(zhì)的普通充填體,彈性模量0.21 GPa。承載層厚度選取0.2~2 m的區(qū)間,區(qū)間間隔取0.1 m。
(1)由圖5、圖6可知,如采用C15混凝土構筑人工假底,承載層厚度超過0.3 m后,安全系數(shù)基本都能達到η=2.5的目標值,即C15混凝土人工假底厚度在此范圍之內(nèi)是相對穩(wěn)定安全的。
(2)由圖7~圖10可知,要求承載層的安全系數(shù)達到η=2.5,A2充填體人工假底一、二步回采進路承載層厚度應分別保持在0.9 m和1.1 m以上;B4充填體人工假底則應分別保持在0.6 m和0.8 m以上。因此在進行優(yōu)化設計時,以A2為充填材料的假底承載層厚度至少需要保障在1.1 m以上,以B4為充填材料的假底承載層厚度至少需要保障在0.8 m以上,以確保一、二步回采進路穩(wěn)定性良好。比較來看,相同承載層厚度下,B4假底的安全系數(shù)比A2要高,其穩(wěn)定性能更好。
(3)3種類型人工假底的最大拉應力在厚度不大區(qū)間內(nèi)變化速度較快,但當超過0.7 m后,其變化速度趨緩,說明當承載層達到一定厚度后,過度增加其厚度對人工假底的穩(wěn)定性并無實質(zhì)意義。即對人工假底而言,存在一個最優(yōu)的厚度區(qū)間,沒有必要為增加頂?shù)字夭砂踩远嬖黾尤斯ぜ俚缀穸?。該結論對于降低人工假底構筑成本具有現(xiàn)實指導意義。
實際生產(chǎn)過程中,人工假底穩(wěn)定性受眾多因素影響,而理論分析只能采用簡化的力學模型進行理想化計算,雖然引入了安全系數(shù)的概念,但計算結果準確性仍無法保證。為使人工假底構筑工藝優(yōu)化結果更能反應生產(chǎn)實際,研究選用ANSYS軟件進行數(shù)值分析,對未來頂?shù)字煌夭汕樾芜M行模擬計算,與理論分析結果相互驗證,以得到更加優(yōu)化的人工假底構筑技術參數(shù)。
本研究以礦體產(chǎn)狀、礦巖特性、回采過程和采空區(qū)狀況,作為模擬計算的基本條件,并進行必要簡化。根據(jù)白象山鐵礦進路法開采實踐經(jīng)驗,綜合考慮進路穩(wěn)定性、支護量、生產(chǎn)效率,人工假底下進路回采寬度為4 m。確定人工假底模型的尺寸X(寬)×Y(高)×Z(長)為100 m×125 m×100 m。
由力學分析結果可以看出,人工假底可采用3種構筑工藝,即0.3~0.5 m厚度的C15混凝土、1.1~2.5 m厚度的A2充填體、0.8~2 m厚度的B4充填體,理論上均能保證未來頂?shù)字g隔回采的安全。數(shù)值模擬分析其在不同回采率(100%、75%、50%、25%)的組合條件下,第二步進路回采時(因二步回采安全性遠較第一步采場差,故模擬最危險情況)人工假底和人工膠結礦柱穩(wěn)定性情況。以此建立44個人工假頂承載層的拉應力分布模型,各模型組合結構參數(shù)及數(shù)值模擬主要結果數(shù)據(jù)參見表2。
典型模型(A2充填體,2.5 m厚,50%回采率)的拉應力、壓應力及位移云圖如圖11所示。
2.2.1 承載層拉應力分析
(1)由表2中承載層的最大拉應力值變化情況可見,44種模型的人工假頂承載層均有拉應力出現(xiàn),且隨回采率提高,承載層所受應力及產(chǎn)生的位移量均增大。
(2)由表2可以看出,C15混凝土承載層的厚度為0.3 m時,拉應力值較大、抗拉安全系數(shù)較小,穩(wěn)定性不理想;而承載層厚度為0.4 m時,拉應力在2.89~5.36 MPa間范圍波動,抗拉安全系數(shù)、穩(wěn)定性較0.3 m時有所提升,但仍然小于混凝土許用應力;當承載層厚度達到0.5 m時,回采率為25%和50%條件下,安全系數(shù)可以達到2.83和2.69。
(3)由表2可以看出,A2充填體承載層的厚度為1.1 m時,拉應力值較大、抗拉安全系數(shù)較小,穩(wěn)定性不理想;而承載層厚度為1.5~2 m時,拉應力雖較1 m承載層有所降低,但安全系數(shù)仍然不高;當承載層厚度達到2.5 m后,可以實現(xiàn)50%的頂?shù)字夭陕省?/p>
(4)由表2可以看出,B4充填體承載層的厚度為0.8 m時,拉應力值較大、抗拉安全系數(shù)小,穩(wěn)定性得不到保障;而承載層厚度為1.2~1.6 m時,如果回采率超過50%,安全穩(wěn)定性也較差;當承載層厚度達2 m后,可以實現(xiàn)50%的頂?shù)字夭陕省?/p>
2.2.2 承載層壓應力分析
由表2可知,除C15混凝土承載層厚度為0.3 m和A2充填體承載層厚度為1.1 m時,頂?shù)字炕厥涨闆r下,可能出現(xiàn)壓應力破壞外,其他情況人工假底內(nèi)出現(xiàn)的壓應力均在允許范圍之內(nèi)??梢?,壓應力集中不會是人工假底破壞的主要原因。
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2.2.3 承載層位移變化
在承載層厚度不變的情況下,隨著回采率的增加,則最大位移逐漸增大,且最大位移面積越廣;回采率及承載層厚度相同條件下,3種類型不同承載層材料,C15混凝土材料Y方向位移變化最小,其次為B4充填體承載層,A2充填體承載層Y方向位移變化最大。
綜合考慮人工假底的安全性和經(jīng)濟性,建議采用A2充填體構筑2.5 m厚人工假底,可以保證50%頂?shù)字厥瞻踩3休d層灰砂比1∶4、質(zhì)量濃度60%,實際充填體強度2.5~3.0 MPa;上部普通充填采用當前配比(灰砂比1∶6、質(zhì)量濃度60%,實際充填體強度1.5~2.5 MPa)。推薦在構筑充填體人工假底前鋪設鋼筋網(wǎng),以增強充填體人工假底的整體穩(wěn)定性[5]。
(1)對人工假底承載層厚度而言,存在一個最優(yōu)的厚度區(qū)間,沒有必要為增加頂?shù)字夭砂踩远嬖黾尤斯ぜ俚缀穸?。該結論對于降低人工假底構筑成本具有現(xiàn)實指導意義。
(2)由承載層的最大拉應力變化情況可見,隨回采率提高,承載層所受應力及產(chǎn)生的位移量均增大。
(3)承載層壓應力分析發(fā)現(xiàn),壓應力集中不會是人工假底破壞的主要原因,礦巖破壞形式主要是受拉破壞。
(4)在承載層厚度不變的情況下,隨著回采率的增加,則最大位移逐漸增大,且最大位移面積越廣;回采率及承載層厚度相同條件下,3種類型不同承載層材料,C15混凝土材料位移變化最小,其次為B4充填體承載層,A2充填體承載層位移變化最大。
(5)采用A2充填體構筑2.5 m厚人工假底,可以保證50%頂?shù)字厥瞻踩?。推薦在構筑充填體人工假底前鋪設鋼筋網(wǎng),以增強充填體人工假底的整體穩(wěn)定性。