大型復雜群空區下采場穩定性分析

李學鋒,徐必根,唐紹輝,郭 葵,鄭榮祥

(1.廣西大學, 廣西南寧 530004;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;3.紹興平銅集團公司, 浙江紹興市 312050)

大型復雜群空區下采場穩定性分析

李學鋒1,徐必根2,唐紹輝2,郭 葵3,鄭榮祥3

(1.廣西大學, 廣西南寧 530004;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;3.紹興平銅集團公司, 浙江紹興市 312050)

紹興銅都礦業有限公司由于長期采用分段空場法回采,導致在-385m水平以上存在52萬m3的復雜采空區群,出現了采場垮塌、地表塌陷等嚴重地壓現象,對深部開采安全已造成嚴重威脅。為此,在礦山巖體工程地質條件研究的基礎上,綜合運用三維彈塑性有限元正交試驗方法、極限分析法和彈性力學小變形薄板理論等多種巖石力學理論方法,分析計算分段空場法采場的穩定性,評價和預測了分段空場法采場和礦柱的力學行為和破壞特征,為深部采場提供了合理的采場結構參數,有效指導了試驗采場6.4萬t礦量的安全回采。

群空區;采場穩定性;三維彈塑性有限元法;正交試驗;理論分析

0 前 言

應用房柱法、全面法、留礦法等空場法采礦的礦山,若不及時處理采空區,當采空區體積達到一定數量時,就有可能發生大規模突然冒落等地壓災害,造成人員和財產的重大損失[1,2]。地下采空區除在特定條件下可以用永久性礦柱支撐并永久保留外,通常都應當進行處理,其目的在于消除空區。20世紀50～60年代后,除非要長期保留和應用地下空間[3,4],國外一般不留下采空區等待專門處理。由于種種原因,目前我國礦山已存在著4.3億m3以上未處理采空區[2],有的已危及安全生產。大型復雜群空區條件下的巖層控制技術,是我國非煤地下礦山普遍存在且特有的一類采礦技術難題[5]。

紹興銅都礦業有限公司是一個年采礦20萬t的中型礦山,自1970年建成投產以來,采礦方法主要為有底柱分段礦房法。由于長期采用空場法開采,-385m以上中段存在大小不一、形狀各異、上下重疊與錯位的100多個采空區群,總量約52萬m3。自1977年10月開始出現地壓活動以來,已造成地表塌陷、采場頂底板垮塌等嚴重事故;最近發生的一次強烈地壓活動是2004年1′03采場發生頂柱垮塌,造成-335m中段以上的空區直通地表,大量的廢石、廢渣填充井下,淹埋部分井巷,對礦山安全生產造成嚴重威脅。目前礦山正在實施的三期工程開采標高為-625m,開采深度達到640m左右,中段高度也由原來的50m,提高到了60m,并且將繼續沿用空場采礦法。由于受充填材料的限制,采空區的充填只能采用廢石,且無法保證充填所有空區,地表又不容許大范圍陷落。災害性大型復雜群空區誘發的嚴重地壓問題已成為制約礦山安全、高效開采的首要問題。

1 三維彈朔性有限元模擬分析

礦山工程的穩定是個動態穩定問題,貫穿于礦山生產及建設的始終,局部或整體的失穩都與復雜的工程和地質因素有關,因此礦山工程的穩定性評價是一個十分復雜的動態系統工程問題[6～10]。結合分段空場法的特點,基于沿硐周釋放荷載法的計算思路,在地質條件、巖體強度及充填材料力學性質一定的條件下,對不同的開采方案進行數值模擬,對各方案的模擬結果進行分析、比較,使礦柱和圍巖的應力、位移狀態有利于采場的穩定性。采用三維彈塑性有限元法作為研究手段,所用軟件為3D-σ三維彈塑性有限元程序。下面以-385m中段806′采場為例進行分析。

1.1 模擬方案

根據礦床開采技術條件和分段空場采礦法的特點,采場沿礦體走向布置,礦房長度50m,中段高度50m,可改變的采場結構參數為間柱的寬度與頂柱的厚度,考慮到巖體力學參數(如彈性模量)的影響,則分段空場采礦法采場穩定性的影響因素主要有3個。穩定性計算中的主要影響因素與水平取值見表1。根據正交設計原理,選用4因素3水平正交表L9(34)來安排試驗,共安排9個試驗方案。

表1 穩定性計算中的主要影響因素與水平取值

1.2 巖體力學參數

依據巖塊力學參數特性測試結果,并考慮巖體的結構效應、地下水、節理裂隙等因素,按照Bieniawski的RMR巖體質量分類法進行修正,利用加拿大Rocscience公司開發的Roclab1.0軟件,對礦體、千糜巖、蝕變花崗巖、碎屑熔巖進行巖體物理力學參數計算,確定計算模型所采用的一般狀態下的巖體力學參數見表2。而加強狀態和削弱狀態的力學參數則是在正常狀態下增大或減少1/4力學強度。

表2 一般狀態下礦巖介質的力學參數

1.3 力學模型與邊界條件

根據平水礦床工程地質、礦體幾何形態及分段空場法的特點,為模擬大型復雜空區下的不同結構參數對采場穩定性的影響,以紹興銅都礦業有限公司提供的礦區各中段地質平面圖、地質剖面圖為建模的基礎資料。計算模型范圍x=450m(垂直礦體走向方向),y=+35～-745m(共780m),z=2100 m(沿礦體走向方向)。

采用最大拉應力判據,結合Drucker-Prager屈服準則來確定礦體開采的應力、位移、可能出現的破壞范圍、最大裂隙帶高度等,以此來確定紹興銅都礦業有限公司采場結構的穩定性。

1.4 模擬計算結果與分析

空場法采礦要求在開采過程中留設具有長期強度的礦柱支撐采空區頂板,基本出發點是間柱和頂柱要有足夠的尺寸,它取決于地質條件、開采深度、礦房尺寸、采場平面布置與空間布局,以及對地面變形的要求等[11]。因此主要考察間柱、頂柱的應力狀態,以及采后廢石充填高度對采場穩定性的影響。

1.4.1 頂柱應力狀態及破壞域分析

806′采場回采完成后,頂柱上的主應力σ1、σ2和σ3均為拉應力,拉應力過大是頂柱產生塑性破壞的主要原因。頂柱破壞域分布隨頂柱厚度變化關系見圖1。模擬結果表明,影響頂柱穩定性的最主要因素為頂柱的厚度,巖體力學參數次之。隨著頂柱厚度的增加,頂柱上的主應力也隨之下降,塑性破壞區范圍縮小,直到消失。在擬定的模擬方案組合中,最優的結構參數組合為頂柱厚度9m,間柱寬10m。

圖1 頂柱破壞域分布隨頂柱厚度變化關系

1.4.2 間柱應力狀態分析

兩側采場回采后,間柱所處應力狀態非常復雜,最大拉應力集中部位出現在間柱兩端靠近頂、底柱處;最大壓應力集中部位出現在間柱下端靠近底柱處;最大剪應力集中部位出現在間柱下端靠近底柱處。剪應力過大是間柱產生塑性破壞的主要原因。

影響間柱穩定性的最主要因素為間柱寬度,礦巖強度次之。在擬定的模擬方案組合中,最優的結構參數組合為頂柱厚度7m、間柱寬6m并加固礦柱使其強度增大的方案。

1.4.3 廢石充填高度對采場穩定性的影響

806′采場頂柱、間柱在不同廢石充填高度下的應力狀態見表3。

由表3可知,采場充填高度達到1/3時,間柱的應力狀態明顯得到改善,其中σ1最大值由4.447 MPa下降為2.061MPa,下降了54%;σ3最大值由30.169MPa下降為19.841MPa,下降了34%;τyz最大值由8.999MPa下降為6.727MPa,下降了25%;τxz應力值大小雖然沒有變化,但應力極值范圍有所縮小;因此采空區充填是控制采空區塌陷與垮落的有效手段。但隨著充填高度的繼續增加,間柱的應力狀態并未得到進一步的改善,只有當充填完全接頂時,頂柱的應力狀態可得到明顯改善;但對廢石充填工藝來說,難以實現。

表3 806′采場采后不同廢石充填高度下的應力狀態

2 采場穩定性理論分析與現場試驗

2.1 采場穩定性理論分析

2.1.1 礦房間柱穩定性理論分析

礦房間柱形狀及尺寸的選擇需要考慮采場的穩定性和礦石回收率的高低,從維護采場穩定性方面考慮,房間礦柱的間距應小于極限跨度,間柱本身橫斷面尺寸應滿足強度要求。如果個別礦柱尺寸過小,一旦被壓垮,勢必使采場實際跨度過大而導致冒頂,與此同時覆巖壓力轉移到其它相鄰礦柱上,也可能迫使這些礦柱破壞,引起連鎖反應。

根據數值分析結果及-385m中段806′采場的實際情況,采用歐洲最常用的正方形礦柱和有限長度的長方形礦柱的設計公式——凱格爾(K.Kegel)強度設計公式[12]進行礦柱穩定性分析計算。結果表明,采場礦房寬:8線左側808′采場Wo=42m,6′線左側806′采場Wo=43m,6′線右側606′采場Wo=44m,取平均寬度Wo=43m,采場高h=34m,采場間柱寬:6′線Wp=6m,8線Wp=8m。平均采深H=360m,平均容重γ=1700kg/m3,礦巖強度σc=179.7MPa。

采用凱格爾(K.Kegel)強度設計公式時,806’采場8線間柱8m寬時,安全系數為1.79,6′線間柱6 m寬時的安全系數為1.21;1.21的安全系數雖可保證回采期間的穩定,但由于留設的房間礦柱需要長期負載以保護礦房頂柱的穩定性,容許的安全系數應大于1.5,因此,礦房回采后必須對其進行充填,以減少礦柱的暴露高度,達到增加穩定性的目的。根據礦柱安全系數計算公式,空區充填高度與6m間柱安全系數關系見圖2。

圖2 806’采場的6’線間柱暴露高度與安全系數的關系

由圖2可知:為確保采場的穩定和開采安全,建議該采場的廢石充填高度為15m以上。

2.1.2 采場頂柱穩定性分析

為了保證回采時的安全,減少礦石的損失貧化,必須科學合理地確定采場頂柱安全厚度[13]。評價采空區頂柱穩定性必須分析兩個因素,一是內在因素,包括頂柱的厚度、跨度、形態及巖體的工程特性指標等;二是外在因素,包括采場的回采順序、爆破震動影響等。綜合來說,影響采空區頂柱的穩定因素主要有4個方面,即頂柱的完整程度、頂柱形態(水平或拱形)、頂柱的厚度及跨度。

2.1.2.1 基于極限分析法的頂柱安全厚度

根據文獻[13]基于極限分析法的頂柱安全厚度計算分析公式試算結果(按四周固支和三固一簡約束形式計算頂柱巖層安全厚度)和采礦方法設計方案,在806′采場長度為43m,不同的采場跨度(礦體厚度)情況下,采場頂柱安全厚度與采場跨度的關系見圖3。

圖3 頂柱安全厚度與采場跨度的關系

從最安全、保守的角度考慮,取采場頂柱礦體的平均厚度為13m時,頂柱的安全厚度應當大于9.5 m(含-335m中段有效底柱高度1.2m)。

2.1.2.2 基于小變形薄板理論的頂柱安全厚度

礦山開采是在三維空間中進行的,采用空場法開采的礦體采出后,懸空頂柱由間柱和上下盤圍巖支撐,并在礦房上方形成具有某種邊界約束的三維板狀結構[13]。采場頂柱穩定性狀況可以通過板結構的強度計算進行分析[13]。根據彈性理論,求得礦房頂柱中的最大主應力為:σ1=1.91(＜2.03)MPa,σ2=0.67(＜2.03)MPa,τmax=0.62(＜5.96)MPa。

計算結果表明,礦房頂柱中產生的最大主應力(拉應力)和最小主應力(拉應力)均小于礦體的抗拉強度。礦房頂柱最大剪應力小于下盤千糜巖的抗剪強度,不會產生剪切破壞。

2.2 現場試驗

根據三維彈塑性有限元模擬正交試驗結果和理論分析結果,-385m中段806′采場現場工業試驗采用的采場結構參數為:頂柱厚度為9m(不含-335m中段有效底柱高度1.2m);8線間柱寬度為8 m,6′線間柱寬度為6m。并在開采過程中,采取了如下相應的技術措施來保證回采安全與采空區的穩定:

(1)在進行采場設計時,保證上下中段各采場的間柱位置上下對應;在靠近間柱和頂柱時,采取相應的控制爆破措施,減少對礦柱、頂柱的爆破振動破壞和超挖,以維護礦柱、頂柱的完整性、保證礦柱的尺寸大小和直立度;

(2)在沒有采取有效的充填措施時,嚴禁開挖礦柱,并且嚴禁在礦柱內施工人行天井等工程;

(3)對采場上下盤圍巖、頂柱和間柱采取相應的支護措施進行支護;

(4)及時封閉通往采空區的通道,防止井下泥石流和空氣沖擊波的危害。

到2008年底,-385m中段806′采場共回采礦量64059t,沒有出現一例安全事故,取得了良好的社會經濟效益。

3 結 論

通過三維彈塑性有限元法數值模擬正交試驗、理論分析計算和現場試驗,評價和分析了大型復雜空區下分段空場采礦法采場和礦柱的力學行為和穩定性,優化了采場結構參數,得到了如下重要結論:

(1)分段空場采礦法采場回采完成后,頂柱上的主應力σ1、σ2和σ3均為拉應力,拉應力過大是頂柱產生塑性破壞的主要原因。影響頂柱穩定性的最主要因素為頂柱的厚度,巖體力學參數次之。隨著頂柱厚度的增加,頂柱上的主應力也隨之下降,塑性破壞區范圍相應縮小,直到消失。

(2)分段空場法采場回采后,間柱所處應力狀態非常復雜,最大拉應力集中部位出現在間柱兩端靠近頂、底柱處;最大壓應力集中部位出現在間柱下端靠近底柱處;最大剪應力集中部位出現在間柱下端靠近底柱處。剪應力過大是間柱產生塑性破壞的主要原因。影響間柱穩定性的最主要因素為間柱寬度,巖體力學參數次之。增加間柱穩定性的措施為加固間柱和采后立即充填以減少礦柱的暴露高度。

(3)分段空場法采場回采后及時充填是控制采空區垮落的有效手段。隨著廢石充填高度的增加,間柱的應力狀態得到明顯的改善。當采場充填高度達到1/3時,間柱中σ1max下降54%,σ3max下降34%;因此廢石充填高度應超過1/3。

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2010-03-25)

李學鋒(1965-),博士,教授,第六屆中國有色金屬學會采礦學術委員會委員,主要從事采礦與巖石力學教學和科研工作,Email:lixfcshncn@126.com。