龍躍

(江西銅業(yè)集團銀山礦業(yè)有限責任公司， 江西 德興市 334201)

0 引言

地下礦山深部開采是一個復雜的系統(tǒng)工程，在高地應力壞境下地壓及開采擾動存在極大的離散性與不確定性，礦山工程人員在對深部開采的礦體進行開采設計時需要考慮復雜的地壓管理因素，進行綜合設計時存在極大的困難。

為保證深部礦體開采設計參數(shù)的合理性及深部礦體回采時的穩(wěn)定性，需對深部開采過程中圍巖的實時狀態(tài)進行分析，獲取開采過程中圍巖的變形與應力的變化情況，常用的研究手段有數(shù)值模擬、理論分析、相似模型試驗等[1-4]。胡楠[5]綜合運用了理論分析、數(shù)值模擬以及室內(nèi)試驗等方法，對三山島金礦西礦區(qū)-1005 m中段在高地應力與爆炸沖擊作用下巖體損傷演化規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性進行了分析，為礦山深部開采設計提供了理論指導；寇永淵等[6]基于 FLAC3D數(shù)值分析對金川二礦區(qū)深部復雜高應力環(huán)境下的連續(xù)開采充填方案下水平礦柱的力學性質(zhì)進行分析對比，為水平礦柱的尺寸設計提供理論指導；蔡美峰[7]對深部開采過程中圍巖的穩(wěn)定性分析與巖層控制的關鍵技術進行了綜合闡述，指出“等效釋放荷載”理論的重要性；劉允秋等[8]針對東黃金鑫匯金礦深部高溫、高壓、高應力礦體開采條件，設計上向水平進路充填法的參數(shù)。相比于理論分析與數(shù)值模擬研究，相似材料模型試驗以相似理論為原則，基于礦山開采現(xiàn)場客觀條件構建與實際開采條件相似的試驗模型，更能直觀地反映圍巖的力學變形特征與分布規(guī)律[9-11]。

銀山鉛鋅礦經(jīng)過近五十年的淺孔留礦法開采，-150 m中段及其以上中段遺留下大量采空區(qū)，其中，北山區(qū)是地壓顯現(xiàn)最為嚴重的采區(qū)，-150 m中段以下深部中段開采不僅受構造控制，同時，也受到深部地應力的控制作用，現(xiàn)場具體表現(xiàn)為采場難以達到設計上采高度，采場進路、保護墩破壞嚴重，導致有些采場礦石難以出礦，因此，加強對深部高應力下地壓防治和開采方案研究具有十分重要的現(xiàn)實意義，也是目前礦山急需解決的問題。為優(yōu)化-150 m中段以下深部中段開采的采場結構參數(shù)，掌握采場開展的巖體破壞規(guī)律，對-195 m中段典型采場的采礦過程進行相似物理模擬，觀察和監(jiān)測采場模型在開挖過程中巖石的破壞形態(tài)以及巖體的應力應變及聲波的變化規(guī)律，為試驗采場結構和參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 相似模型試驗

1.1 相似模型設計

根據(jù)彈性力學可知，采場開采過程中采用平面應力分析與平面應變分析，所得到的應力求解方程是一致的[12-13]，因此試驗模型采用平面應力模型對采場進行模擬，如圖1所示。以-195 m中段典型采場為設計依據(jù)，根據(jù)相似原理，模型設計長0.8 m、寬0.4 m、高1 m，模型框架尺寸設計為2.40 m×0.40 m×1.50 m，相似模型的應力加載采用千斤頂加載系統(tǒng)。對于深部開采中均質(zhì)巖體，原巖開挖會引起周圍圍巖的應力重新分布，按照巖石力學理論的圍巖擾動理論，原巖開挖的影響范圍約為所開挖空間體積的3～5倍[9]，本試驗取3倍。

圖1 試驗采場模型

1.2 相似模擬材料配比

根據(jù)相似理論[14]及所確定的配比原則和研究目的，模型試塊采用水泥、砂礫、石膏及水的混合物制作而成。試驗選取粒徑為0.12～0.2 mm的砂礫做骨料，采用含水率為 6.2%的熟石膏(建筑石膏CaSO4·H2O)和標號為425#的水泥做膠結材料，厚度為5 mm的粗云母做分層材料，鑒于石膏與水泥在塑形過程中的凝結硬化速度較快，試驗加入質(zhì)量濃度為1.0%的硼砂作為緩凝劑。模型相似材料的力學參數(shù)見表1。

表1 模型材料力學性質(zhì)

1.3 監(jiān)測方案設計

試驗采用程控靜態(tài)電阻應變儀、RSM-SY5聲波測試儀等綜合監(jiān)測設備，采用上述設備對模型在模擬開采過程中礦房應力應變和圍巖位移以及聲波波速進行動態(tài)監(jiān)測，各監(jiān)測點的位置如圖2所示。在相似模型內(nèi)部與表面各布置了 11處應變監(jiān)測點（見圖2（a）、圖2（b）），同時在模型的內(nèi)部各布置3處聲波監(jiān)測點與位移監(jiān)測點（見圖2（c）、圖2（d）），監(jiān)測點主要布置與模擬回采礦體的上盤頂板區(qū)域。

圖2 監(jiān)測點布置

1.4 模型回采方案

參照實際中礦體的回采順序與回采參數(shù)，在相似試驗中礦體自下而上分層回采，單次回采斜長10 cm（相當于實際高度 4 m），直到采場回采完畢，如圖3所示。

圖3 模擬回采

2 試驗結果分析

2.1 應力應變分析

在模型開挖后，5號測點的應力應變最明顯，如圖4所示。由圖4可以看出，在礦體剛進行開挖時，5號測點應力監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)略微的增高，當回采至礦體模型斜長 30 cm（相當于實際垂直高度11.6 m）時，應力增加達到第一處峰值，之后隨著礦體模型開采高度的增加而逐漸降低，表明在開采初期階段，礦體開采上盤圍巖出現(xiàn)局部拱頂效應，致使上盤圍巖應力疊加造成短期的壓應力集中，出現(xiàn)明顯的壓應變；在隨后的開采過程中，上盤圍巖的壓應力得到逐漸的釋放，頂板壓力隨著開采斜長的增加向四周擴散，圍巖局部應力集中現(xiàn)象減弱，直到回采至斜長50 cm（相當于實際垂直高度22.3 m）時應力降低到最低值。隨后，隨著礦體的開采應力呈現(xiàn)快速增加區(qū)域，出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，直到礦體上盤破壞為止。

圖4 5號測點應力應變

2.2 位移分析

位移測點變化曲線如圖5所示，在礦體回采至斜長60 cm之前（相當于實際垂直高度25.7 m），1號、2號監(jiān)測點所監(jiān)測得到的位移數(shù)值并未產(chǎn)生較大的變化，表明下礦體上下盤位置仍處于穩(wěn)定的狀態(tài)。但礦體開采至斜長60 cm之后，1號、2號監(jiān)測點的監(jiān)測位移數(shù)值隨著開采高度的增加而迅速增大，結果表明當試驗采場模型回采到斜長60 cm時，礦體圍巖出現(xiàn)明顯的應力位移現(xiàn)象，其頂板圍巖開始呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 聲波監(jiān)測分析

測點聲波變化曲線分析如圖6所示，隨著回采高度的增加，1號監(jiān)測點所監(jiān)測得到的縱波波速出現(xiàn)短暫的上升后，在回采高度繼續(xù)增加時，縱波波數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；在礦體模型開挖后，3個監(jiān)測點所監(jiān)測得到的縱波波速逐漸增高，當試驗的礦體模型回采至斜長25 cm（相當于實際垂直高度11.7 m）時，縱波數(shù)值達到峰值并趨近于穩(wěn)定，當?shù)V體模型回采至斜長90 cm（相當于實際垂直高度38.5 m）時，監(jiān)測點所監(jiān)測得到的縱波波速迅速降低；3號監(jiān)測點所監(jiān)測得到的縱波波速隨著回采高度的變化而出現(xiàn)明顯的下降趨勢。主要原因是在模型回采的初始階段，礦體圍巖仍然處于緊密狀態(tài)，使得縱波波速上升，隨著礦體模型回采距離的增加，圍巖逐漸失穩(wěn)，回采后期礦體時圍巖開始被破壞，造成縱波波速的降低。

圖6 監(jiān)測點聲波波速變化曲線

2.4 模型破壞分析

試驗中，當?shù)V體模型開采至斜長90 cm（相當于實際垂直高度38.5 m）時，在礦體模型的上盤頂板區(qū)域出現(xiàn)圍巖冒落現(xiàn)象，出現(xiàn)冒落的主要原因是隨著礦體開采高度的增加，采場上盤頂板的臨空面面積逐漸超過了采場的極限暴露面積，上盤頂板隨著頂板應力變化而發(fā)生應力集中，從而發(fā)生頂板破壞現(xiàn)象。從試驗過程來看，急傾斜結構巖層的上盤頂板主要是沿礦體的走向方向發(fā)生垮落破壞。

此外，當?shù)V體模型回采到70 cm（相當于實際垂直高度30.4 m）時，在采場模型正上方及礦體上盤沿礦體傾向方向各出現(xiàn)一條長約10 cm的裂紋。其主要原因是由于礦體模型內(nèi)部存在的片理結構面出現(xiàn)擴展破壞，隨著采場開采高度的增加，結構面擴展長度也逐漸增加，當?shù)V體模型回采到80 cm（相當于實際垂直高度35 m）時，破壞區(qū)域的片理結構面繼續(xù)迅速向上擴展，隨著裂紋寬度擴展到0.3 cm時，礦體模型的上盤圍巖開始發(fā)生垮落破壞。

相似模擬試驗研究結果表明，片理結構面的擴展破裂是造成采場失穩(wěn)的主要原因，其破壞主要以巖體片理結構失穩(wěn)為主，其次是類巖石材料的破壞，同時存在片理結構的采場圍巖在回采過程的變形和破壞主要發(fā)生在礦體模型頂、底板區(qū)域。根據(jù)模擬試驗結果，建議在采場開采時在5號監(jiān)測點處（距采場底板28 m）預留礦柱，以控制采場頂板的巖層移動。

3 結論

（1）開展了銀山鉛鋅礦-195 m中段典型采場的開采相似模型試驗，根據(jù)相似原則對典型采場尺寸進行等比例縮放，構建了采場的相似模型，為了檢測模擬開采相似試驗過程中模型應力與位移的變化情況，在圍巖內(nèi)部及表面布置了應力、應變、位移及聲波監(jiān)測點。

（2）分析了相似采場模型開采過程中，各監(jiān)測點得到的應力、應變、位移及聲波的變化，得到了采場開采破壞的基本力學特征。

（3）通過相似模擬試驗研究表明，片理結構裂紋的壓張破裂是造成采場失穩(wěn)的主要原因，根據(jù)模擬試驗結果，建議在采場開采過程中可在距底板28 m位置處預留礦柱，以控制采場頂板的巖層移動。