池秀文 董浩然 汪宗英 王其洲 趙 龍 范純超

(1.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.山東黃金礦業(yè)股份有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

釩元素因其優(yōu)異的物理和化學(xué)特性,在提高金屬材料物理力學(xué)性能、改善非金屬材料的化學(xué)性質(zhì)以及作為蓄電池材料等方面得到了廣泛應(yīng)用。但釩礦資源復(fù)雜的賦存條件和針對這類賦存條件不成熟的開采技術(shù)導(dǎo)致我國釩礦生產(chǎn)能力小,安全性也較差。釩礦資源多賦存于含釩沉積頁巖中,常以緩傾斜—傾斜、薄—中厚礦體產(chǎn)出,一般為多層排列分布,是一種典型的多層礦體,并且各礦層的埋深、走向、厚度和品位變化大[1]。開采近距離的多層礦體時,由于礦體層間距離較小,相鄰礦層開采的相互影響顯著,采場圍巖結(jié)構(gòu)和多次擾動后的次生應(yīng)力場變化劇烈,導(dǎo)致相鄰待采礦體的開采環(huán)境趨向復(fù)雜,形成了多層礦體開采時特殊的地壓環(huán)境,增加了開采難度。

針對上述問題,許多學(xué)者在開采順序、開采方向等方面開展了深入研究,如葉義成等[2]通過相似模擬試驗(yàn),分析了不同開采順序多層礦采空區(qū)圍巖的變形規(guī)律,得出多層礦適合采用前進(jìn)式開采方式。談曉明等[3]經(jīng)過現(xiàn)場研究,對某多層礦體礦層回采順序、各礦塊的超前關(guān)系、礦房布置形式等進(jìn)行了優(yōu)化分析。殷亮[4]根據(jù)某多層薄礦脈近似水平的分布特點(diǎn),利用數(shù)值模擬得到合理的開采順序。胡倩等[5]根據(jù)不同的圍巖移動角、礦層傾角與礦層間距,確定相鄰多層礦同階段開采時的超前距離與回采順序。池秀文等[6-7]基于彈性梁和薄板模型,求解了多層礦頂板的應(yīng)力分量表達(dá)式,得到頂板的極限跨距和破斷距。在采用相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法分析多層礦開采穩(wěn)定性時,一般利用模擬或試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果,判斷圍巖破壞情況,據(jù)此評價開采方案的合理性。此外,不少學(xué)者還針對多層礦體的開采方法開展研究并得到了不少有益結(jié)論,如林坤峰等[8]提出大盤區(qū)機(jī)械化分層充填沿傾向后退式開采和盤區(qū)房柱法兩種多層礦開采方法。古德生等[9]提出了深孔合采井下礦廢分離連續(xù)采礦法,避免了多層礦間柱回采帶來的一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)難題。孟祥凱等[10]基于某緩傾斜薄—中厚鐵礦床礦體儲量大、品位低的特點(diǎn),提出兩步中深孔聯(lián)合采礦法。諸利一等[11]提出了單層淺孔條帶式充填采礦法、多層合采條帶式充填采礦法和中深孔條帶充填采礦法等多層礦開采方法。對于層間距小的多層礦體,解聯(lián)庫等[12]利用綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析方法,分別研究了合采和分采過程中的合理采礦方法。此外,陳慶發(fā)[13-14]提出的協(xié)同開采理論也為多層礦開采提供了新思路。綜上可知,已有的多層礦圍巖穩(wěn)定性研究,均是基于傳統(tǒng)單層礦開采條件做出的拓展,鮮有以多層礦體間開采擾動導(dǎo)致的特殊地壓環(huán)境為基礎(chǔ)條件開展研究。

煤炭資源賦存特征與含釩頁巖礦體較為近似,均呈厚度不等的多層狀排布,但煤炭資源賦存條件相對簡單,已經(jīng)形成了系統(tǒng)性極強(qiáng)的開采理論和方法。如采用綜采放頂煤方式回采時,將開采工作面附近的圍巖按應(yīng)力分布特征分為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)和原始應(yīng)力區(qū),4 個區(qū)域隨著開采工作面向前推進(jìn),根據(jù)其不同的應(yīng)力特征可采取針對性較強(qiáng)的地壓管理措施。為此,本研究借鑒煤礦地壓分析理論,在多層礦體開采過程對采場圍巖進(jìn)行分區(qū),并探究不同區(qū)域的應(yīng)力遷移特征,為多層狀金屬礦體開采理論研究與實(shí)踐提供參考。

1 單層礦應(yīng)力遷移特征

1.1 采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

在研究開采過程中的采空區(qū)穩(wěn)定性問題時,常將復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行簡化,以便建立數(shù)學(xué)模型并分析其應(yīng)力狀態(tài)。對于一個處于某種應(yīng)力狀態(tài)下的無限彈性各向同性平面,用U0(x,y)表示對應(yīng)這種應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力函數(shù),并將無孔平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)稱為基本應(yīng)力狀態(tài)[15-16]。

假如在所研究的平面內(nèi)作任意形狀的孔(圖1),那么孔的存在就會引起平面內(nèi)應(yīng)力重新分布。新的應(yīng)力狀態(tài)可以表示為

圖1 簡化的含孔平面Fig.1 Simplified plane with holes

對于基本應(yīng)力狀態(tài)和附加應(yīng)力分量,根據(jù)雙調(diào)和函數(shù)可以分別找出兩個復(fù)變函數(shù)的穆斯海里什維里函數(shù)φ0(z),ψ0(z)和φ?(z),ψ?(z)[17-18]。與新的應(yīng)力狀態(tài)(式(1))相對應(yīng)的函數(shù)φ1(z)和ψ1(z)為

式中,z為復(fù)數(shù);φ1(z)和ψ1(z)為變化后的應(yīng)力函數(shù);φ0(z),ψ0(z)為初始應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的穆斯海里什維里函數(shù);φ?(z),ψ?(z)為附加應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的穆斯海里什維里函數(shù)。

當(dāng)用與OX軸成α角的力p拉伸連續(xù)平板時,板的基本應(yīng)力狀態(tài)可表示為

式中,σx,σy,τxy為基本應(yīng)力分量,MPa;p為作用于平板上的力,MPa;α為力與OX軸夾角,(°)。

任一處的應(yīng)力函數(shù)可表示為

式中,U0(x,y)為平板上任一處應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式;x、y為該處對應(yīng)的坐標(biāo)值。

假如在已知平板中作一孔使其中心和XOY坐標(biāo)系的原點(diǎn)相合,并且其周界不受外力,那么帶孔平板的應(yīng)力函數(shù)φ1(z)和ψ1(z)可表示為

式中,i為虛數(shù)單位。

當(dāng)所作孔的形狀為矩形、正方形、三角形、梯形等有限部分的平面時,如果能將已知區(qū)域映射為一單位圓的函數(shù)z=ω(ζ),那么問題就可以用泛函方程組確定邊界條件φ(ζ)和ψ(ζ)來解決[19]。z=ω(ζ)見下式:

根據(jù)模擬需求,僅對α=π/2 的情況進(jìn)行如下分析計算:

式中,φ(ζ),ψ(ζ)為泛函方程組確定的邊界條件;R為矩形孔頂點(diǎn)處的曲率半徑。

將式(8)代入式(9),分開實(shí)部和虛部,得到應(yīng)力分量σρ,σθ和τρθ的表達(dá)式:

將該情況的矩形孔周界上的σθ被p除得的值列出,結(jié)果見表1。

表1 長寬比為5 的條件下α=π/2 時的σθ/p 值Table 1 σθ/p values at α=π/2 for an aspect ratio of 5

對表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得曲線如圖2所示。

圖2 不同角度下的應(yīng)力變化率擬合曲線Fig.2 Fitting curve of stress change rates at different angles

1.2 單采場應(yīng)力變化區(qū)域劃分

根據(jù)某含釩頁巖多層礦的巖石力學(xué)參數(shù)建立FLAC3D數(shù)值模型(表2),對上述采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。該礦體埋深185 m,采場寬度為10 m,以1 m/次的掘進(jìn)速度推進(jìn),分別得到5、10、15、20、25 m采空區(qū)頂板圍巖的垂直應(yīng)力分布曲線(拉應(yīng)力為正值、壓應(yīng)力為負(fù)值),如圖3所示,0 m 為初始開采位置。采空區(qū)形成后,頂板產(chǎn)生變形,應(yīng)力得到釋放,頂板圍巖的垂直應(yīng)力迅速跌落至穩(wěn)定值。開采工作面附近的圍巖承受采空區(qū)上覆巖體向周圍巖體轉(zhuǎn)移的荷載,此時,垂直應(yīng)力向遠(yuǎn)離工作面的方向迅速增加至峰值,應(yīng)力峰值隨著開采寬度增加而增高,一段距離后應(yīng)力逐漸降低至原巖應(yīng)力。根據(jù)圖3所示的應(yīng)力遷移規(guī)律,可將采場圍巖劃分為如圖4所示的應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力跌落區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū),垂直應(yīng)力的變化率分布與圖2 擬合曲線基本符合。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanical parameter

圖3 不同開采進(jìn)度礦體上部圍巖垂直應(yīng)力分布曲線Fig.3 Vertical stress distribution curves of the upper surrounding rock of orebody with different mining progress

圖4 單采場應(yīng)力變化分區(qū)Fig.4 Stress variation zones of single stope

應(yīng)力釋放區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)對單采場的穩(wěn)定性影響較大,目前主要的研究集中于這兩個分區(qū),即采空區(qū)的頂板、側(cè)壁和礦柱。應(yīng)力釋放區(qū)對應(yīng)采場的頂板位置,該區(qū)域圍巖下部臨空面受拉應(yīng)力作用,極易產(chǎn)生冒落甚至垮塌。應(yīng)力增高區(qū)對應(yīng)采場側(cè)壁或礦柱位置,該區(qū)域承受高于原巖應(yīng)力的荷載,提高了圍巖破壞的風(fēng)險,若此時能量積聚較高且瞬時釋放,極易產(chǎn)生巖爆。

1.3 單采場應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力分布特征

針對單采場,根據(jù)式(10)計算不同開采過程中的圍巖垂直應(yīng)力變化率α:

式中,α為圍巖垂直應(yīng)力變化率;σi為距開采起點(diǎn)im處的當(dāng)前垂直應(yīng)力,MPa;σ0為初始垂直應(yīng)力,MPa。

如圖5所示,將α>0.1 的區(qū)域劃分為高應(yīng)力增加區(qū),0.01<α<0.1 的區(qū)域劃分為低應(yīng)力增加區(qū),并在圖中標(biāo)記出應(yīng)力峰值區(qū)。根據(jù)圖5 可知,開采5 m 后出現(xiàn)高應(yīng)力增加區(qū),隨著開采的推進(jìn),高應(yīng)力增加區(qū)最終穩(wěn)定在距離開采工作面5 m 內(nèi),低應(yīng)力增加區(qū)范圍穩(wěn)定在距離開采工作面5～19 m,應(yīng)力增高區(qū)峰值出現(xiàn)在距離開采工作面2 m 處。

不同跨度采空區(qū)對應(yīng)的應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力峰值不同,采空區(qū)跨度越大,峰值越高。利用上述結(jié)果擬合得到的峰值應(yīng)力變化率表達(dá)式為

式中,Lc為采空區(qū)跨度,m;R2為擬合優(yōu)度。

選取不同跨度的采空區(qū),分析了應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力變化率隨距離的變化特征如圖6所示。由圖6 可知:當(dāng)采空區(qū)寬度為5～24 m 時,在應(yīng)力峰值區(qū)以外的區(qū)域,應(yīng)力變化率滿足式(12),其中a1=0.129～0.217,a2=-0.240～-0.201。

圖6 應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力變化率隨距離變化曲線Fig.6 Variation curves of stress change rate with distance in the area of increased stress area

式中,L為與應(yīng)力峰值點(diǎn)距離,m;a1、a2為常數(shù)。

1.4 單采場應(yīng)力跌落區(qū)應(yīng)力分布特征

應(yīng)力跌落區(qū)是應(yīng)力增高區(qū)與應(yīng)力釋放區(qū)的過渡區(qū)域,不同寬度采空區(qū)的應(yīng)力變化率隨著應(yīng)力增高區(qū)峰值點(diǎn)距離的變化曲線如圖7所示。

圖7 應(yīng)力跌落區(qū)應(yīng)力變化率隨距離變化曲線Fig.7 Variation curves of stress change rate with distance in attenuated stress area

圖7所示曲線可用如下三次函數(shù)式進(jìn)行表示:

式中,b0,b1,b2,b3分別為擬合曲線三次函數(shù)式的常數(shù)系數(shù)。

當(dāng)采空區(qū)尺寸為24 m 時,應(yīng)力跌落區(qū)的應(yīng)力變化率隨峰值點(diǎn)距離的關(guān)系可表示為

1.5 多采場應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力變化率疊加特征

煤層工作面開采時,放頂工作使應(yīng)力釋放區(qū)頂板圍巖下落充填采空區(qū),最終實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力穩(wěn)定。因此,煤礦開采中將此區(qū)域稱為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū),使用崩落法開采層狀金屬或非金屬礦與之類似。使用充填法開采時,充填體代替崩落的廢石起到支承采空區(qū)頂板的作用,同樣能達(dá)到類似效果。在圍巖穩(wěn)固的情況下使用空場法開采,采空區(qū)頂板能夠依靠自身強(qiáng)度承受一定的荷載,但隨開采跨度增加,頂板中部所受拉力逐漸增大,考慮到巖體本身軟弱結(jié)構(gòu)面的存在,應(yīng)力釋放區(qū)的寬度不宜過大。除了利用充填等措施外,工程中會優(yōu)化采場參數(shù),控制采空區(qū)跨度,從而將應(yīng)力釋放區(qū)限制在合理寬度,具體方法是間隔一定距離留設(shè)礦柱。通過上文分析可知,采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)必定位于礦柱中,兩個相鄰采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)若在礦柱內(nèi)重疊,則進(jìn)一步增加了礦柱荷載,增大了礦柱失穩(wěn)風(fēng)險(圖8)。

圖8 不同寬度礦柱應(yīng)力疊加特征示意Fig.8 Schematic of stress superposition characteristics of pillars with different widths

如圖9所示,設(shè)兩個跨度分別為20 m 和10 m 的采空區(qū)之間留設(shè)10 m 寬礦柱,模擬單獨(dú)開采10 m、單獨(dú)開采20 m 和兩者全部開采3 種工況,分別得到如圖10所示的采空區(qū)圍巖應(yīng)力變化率曲線。將兩個采空區(qū)單獨(dú)作用值相加,發(fā)現(xiàn)其與兩個采空區(qū)共同作用的模擬值一致,可以認(rèn)為礦柱內(nèi)部應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力變化規(guī)律由兩側(cè)采空區(qū)圍巖應(yīng)力代數(shù)疊加得到。當(dāng)采空區(qū)數(shù)目增加時,礦柱內(nèi)部應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力變化規(guī)律同樣滿足上述規(guī)律。

圖9 20 m 采空區(qū)-10 m 礦柱-10 m 采空區(qū)示意Fig.9 Schematic of 20 m goaf -10 m pillar -10 m goaf

圖10 應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力變化率模擬值隨距離變化曲線Fig.10 Curves of simulated stress change rate with distance in increased stress area

選取圖9所示的20 m 采空區(qū)-10 m 礦柱-10 m采空區(qū)的模型,利用式(12)求得3 種工況下的應(yīng)力變化率。如圖11所示,兩個采空區(qū)共同作用的應(yīng)力計算值與模擬值的變化規(guī)律基本一致。在對礦柱進(jìn)行理論分析時,通常將其視為受均布荷載,然而通過上述分析可知,礦柱受到的荷載大小和規(guī)律應(yīng)由兩側(cè)采空區(qū)共同決定。

圖11 應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力變化率計算值隨距離變化曲線Fig.11 Curves of calculated stress change rate with distance in increased stress area

2 雙層礦體應(yīng)力遷移規(guī)律

2.1 水平位置關(guān)系對礦巖應(yīng)力遷移特征的影響

研究雙層礦體開采應(yīng)力遷移規(guī)律時,需要考慮兩層礦體的位置關(guān)系,按礦體的重疊關(guān)系與長度,可分為上覆型完全重疊、下懸型完全重疊、部分重疊和不重疊4 種類型。其物理含義可表述為:上覆型完全重疊的雙層礦,上層礦體長度大于下層礦體,且下層礦體完全與上層重疊;下懸型完全重疊的雙層礦,下層礦體長度大于上層礦體,且上層礦體完全與下層重疊;部分重疊的雙層礦,僅有部分區(qū)域重疊;不重疊的雙層礦,完全不存在重疊區(qū)域。由于礦體間距過大,層間應(yīng)力擾動不明顯,因此為便于觀察,建立若干組不同重疊關(guān)系的近距離礦體數(shù)值模型用于分析其應(yīng)力擾動特征,礦體間距設(shè)置為8 m。

如圖12(a)所示,建立上覆型完全重疊的雙層礦數(shù)值模型,自上而下分別留設(shè)50、20 m 采空區(qū),先回采上層礦體,再回采下層,分析夾層應(yīng)力分布規(guī)律。分別單獨(dú)開采上下兩層礦體時,滿足應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力跌落區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)4 個應(yīng)力變化區(qū)域劃分(圖12(b))。兩層礦體全部開采后,應(yīng)力擾動疊加。下層采空區(qū)的4 個應(yīng)力變化區(qū)完全位于上層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)下方,此時上層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)可視為下層采空區(qū)的次生原始應(yīng)力區(qū),在此基礎(chǔ)上形成次生應(yīng)力釋放區(qū)、跌落區(qū)和增高區(qū)。根據(jù)圖12(c)最小主應(yīng)力曲線可知,夾層最大壓應(yīng)力在上層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)達(dá)到最大值,下層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)與上層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)的重疊區(qū)域也出現(xiàn)較小的峰值。由圖12(d)最大主應(yīng)力分布曲線可知,拉應(yīng)力在兩層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)重疊處最大。

圖12 上覆型完全重疊雙層礦體Fig.12 Overlying type completely overlapped double-layer orebody

本研究構(gòu)建的下懸型完全重疊的雙層礦數(shù)值模型如圖13(a)所示。模型自上而下開采分別留設(shè)的20、50 m 采空區(qū)。夾層的垂直應(yīng)力擾動主要受下層采空區(qū)控制,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū),上層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)與下層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)重疊處的拉應(yīng)力最大。

圖13 下懸型完全重疊雙層礦體Fig.13 Overhanging type completely overlapped double-layer orebody

如圖14所示,對于部分重疊的雙層礦,自上而下開采,左側(cè)非重疊區(qū)的應(yīng)力擾動受下層采空區(qū)控制,右側(cè)非重疊區(qū)的應(yīng)力擾動受上層采空區(qū)控制,重疊區(qū)域則因兩層采空區(qū)的擾動疊加產(chǎn)生變化。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下層采空區(qū)非重疊區(qū)域的應(yīng)力增高區(qū),最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)與上層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)重疊處。

圖14 部分重疊雙層礦體Fig.14 Partially overlapped double-layer orebody

當(dāng)由上至下依次開采形成兩層不重疊的采空區(qū)時,若距離足夠遠(yuǎn),則應(yīng)力擾動區(qū)域互不影響;若距離小于任一采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)擾動范圍,則會出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)疊加。如圖15所示,最大垂直應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在兩層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)重疊部位,最大拉應(yīng)力處于下層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)中部。

圖15 不重疊雙層礦體Fig.15 Non-overlapped double-layer orebody

上述4 種重疊關(guān)系中,下層采空區(qū)頂板受到的拉應(yīng)力較大,尤其當(dāng)下層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)與上層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)重疊時,拉應(yīng)力最大;最大壓應(yīng)力位于較大跨距采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū),當(dāng)上下兩層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)重疊時,重疊處的壓應(yīng)力進(jìn)一步增加。

2.2 垂直距離對礦巖應(yīng)力遷移規(guī)律的影響

雙層礦體的相互擾動程度和范圍受礦體間距影響,礦體間距足夠大時,相鄰礦層不會形成開采擾動。因此,有必要研究礦層間距對開采擾動的影響,確定不同礦層間距的應(yīng)力擾動特征。在分析不同采空區(qū)長度的垂直應(yīng)力變化率后,設(shè)置采空區(qū)長度為24 m,模擬得到采空區(qū)下方1,3,6,11,16,21 m 垂直應(yīng)力變化率分布曲線(圖16)。上層礦體的開采擾動隨著深度增加而逐漸降低,應(yīng)力增高區(qū)在采空區(qū)以下6 m 位置幾乎完全消失。應(yīng)力跌落區(qū)的應(yīng)力跌落速率逐漸放緩。應(yīng)力釋放區(qū)的影響范圍較大,采空區(qū)下方21 m處應(yīng)力擾動依然存在,但已經(jīng)回落至較小值。因此,可按應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)的擾動范圍,將應(yīng)力擾動區(qū)域劃分為強(qiáng)擾動區(qū)、弱擾動區(qū)和無擾動區(qū),3 個區(qū)域分界線為強(qiáng)擾動距和弱擾動距。礦體間距小于強(qiáng)擾動距時,應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)共同對相鄰礦層造成擾動,形成強(qiáng)擾動區(qū);礦體間距大于強(qiáng)擾動距且小于弱擾動距時,應(yīng)力釋放區(qū)對相鄰礦層造成擾動,應(yīng)力增高區(qū)不造成擾動,形成弱擾動區(qū);礦體間距大于弱擾動距時,應(yīng)力增高區(qū)和釋放區(qū)對相鄰礦體均不造成擾動,此處成為無擾動區(qū)。綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果得到該模型中強(qiáng)擾動距為6 m,弱擾動距為22 m。

圖16 單層采空區(qū)對下部巖體擾動分布Fig.16 Distribution of disturbance caused by single goaf to lower rock mass

以不完全重疊的雙層礦體為例,根據(jù)24 m 采空區(qū)的應(yīng)力擾動區(qū)分布情況設(shè)置3 組數(shù)值模型,礦層間距為3,15,25 m。如圖17所示,礦層間距為3 m 時,下層采空區(qū)位于上層采空區(qū)的強(qiáng)擾動區(qū),受上層采空區(qū)應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)共同影響。如圖17(c)和圖17(d)所示,上層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)導(dǎo)致下層采空區(qū)右側(cè)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力降低,上層采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)導(dǎo)致下層采空區(qū)右側(cè)壁出現(xiàn)小型壓應(yīng)力峰值,中部拉應(yīng)力有較大幅度增加。

如圖18所示,礦層間距為15 m 時,下層采空區(qū)位于上層采空區(qū)的弱擾動區(qū),受上層采空區(qū)應(yīng)力釋放區(qū)影響,表現(xiàn)為下層采空區(qū)右側(cè)壓應(yīng)力小幅度降低,拉應(yīng)力小幅度增高,但總體變化值較小(圖18(c)和圖18(d))。

圖18 夾層為15 m 的應(yīng)力擾動情況Fig.18 Stress disturbance of a 15 m interlayer

如圖19所示,礦層間距為25 m 時,下層采空區(qū)位于上層采空區(qū)的無擾動區(qū),單獨(dú)開采下層礦體與開采雙層礦體時的應(yīng)力變化幾乎相同,可認(rèn)為上層采空區(qū)未對下層礦體開采造成影響。

圖19 夾層為25 m 的應(yīng)力擾動情況Fig.19 Stress disturbance of a 25 m interlayer

3 結(jié)論

(1)根據(jù)含釩礦體開采后的垂直應(yīng)力變化規(guī)律,將采空區(qū)圍巖劃分為應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力跌落區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)等4 個區(qū)域。

(2)單采場采空區(qū)跨度與其圍巖應(yīng)力峰值為正相關(guān)關(guān)系,即采空區(qū)跨度越大,其應(yīng)力峰值越高,并且應(yīng)力增高區(qū)以深圍巖內(nèi)的應(yīng)力變化率隨著與應(yīng)力峰值點(diǎn)距離的增大呈冪函數(shù)關(guān)系減小,應(yīng)力跌落區(qū)內(nèi)的應(yīng)力變化率隨著與應(yīng)力峰值點(diǎn)距離的增大而增大;相鄰采空區(qū)的應(yīng)力增高區(qū)會在兩者間的礦柱內(nèi)疊加,礦柱內(nèi)某點(diǎn)的應(yīng)力變化率為兩側(cè)采空區(qū)分別在該點(diǎn)引起的應(yīng)力變化率之和。

(3)雙層礦雙采場開采后,當(dāng)下層采空區(qū)應(yīng)力釋放區(qū)與上層采空區(qū)應(yīng)力增高區(qū)重疊時導(dǎo)致圍巖內(nèi)拉應(yīng)力增高,當(dāng)上層采空區(qū)的應(yīng)力釋放區(qū)與下層采空區(qū)任一區(qū)域重疊時導(dǎo)致圍巖壓應(yīng)力降低,并且上下采空區(qū)重疊與非重疊區(qū)域的交匯處應(yīng)力變化顯著。

(4)應(yīng)進(jìn)一步分析多層礦體多采場采空區(qū)圍巖極限平衡狀態(tài),并根據(jù)其圍巖應(yīng)力遷移規(guī)律和失穩(wěn)特征合理確定回采參數(shù)與回采順序,以實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。