預留原生礦柱對片理狀巖體采場穩定性影響試驗研究

王曉軍,馮 蕭,鐘春暉

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京100083;2.江西理工大學,江西贛州341000)

在金屬礦床回采過程中經常會遇到一些特殊類型的巖體影響采場的安全回采,其中,片理狀巖體對礦體的安全回采形成了一定的威脅,諸如淺變質絹云母千枚巖、砂質千枚巖等[1-3]。該種巖體片理發育,其產狀一旦與礦體一致,在極傾斜礦體回采過程中極易產生采場上盤圍巖的片幫、冒頂,造成二次貧化,甚至出現整個采場的失穩。針對這一問題多數礦山采用了木支護、錨桿支護甚至長錨索支護等常規支護手段[4-5]。這些支護手段對局部片理狀巖體的片幫、冒落起到了積極的作用,但隨著上采高度的增加,采場的中上部上盤圍巖依然會出現較大面積的整體垮落,如果大面積使用支護措施必然會增加支護費用,提高回采成本。因此,研究低成本、高效果的支護手段對片理狀巖體礦山采場的安全回采意義重大。

通過對類似巖體結構礦山采場進行現場調查,并對比分析各種支護方法的優缺點,本文提出了針對片理狀巖體急傾斜礦脈回采過程中在上下盤圍巖之間預留原生礦柱的方法支護上盤圍巖,從而降低支護成本,保證回采安全。

1 預留礦柱試驗與結果分析

為了確定預留原生礦柱的高度、規格與分布形式,本文以某鉛鋅礦無底柱留礦法采場為工程實例進行了相似模擬、數值計算等專項試驗。通過對試驗結果分析比較,確定了采場中所預留礦柱的規格與尺寸。

1.1 相似模擬

利用相似原理,采用模型試驗模擬片理狀巖體采場的回采過程[6-7]。模型材料選用河砂、水泥、石膏的混合物,為了模擬片理狀巖體,選用云母片作為片理材料。根據相似模擬的經驗,本實驗容重相似常數取1,幾何相似比取1∶50,經計算得應力相似比為50∶1,相似模擬材料的力學性質見表1。由于彈性力學的平面應力與平面應變中應力求解方程一致。因此,用平面應力模型來模擬實際處于平面應變的巖層。本實驗設計兩組平面應力模型進行模擬,其中第一組為不預留礦柱直接回采,第二組預計在第一組上采過程中發生大面積垮落的適當高度預留礦柱,實驗模型見圖1。

表1 相似模型材料力學性質

圖1 相似模擬試驗模型

實驗采用杠桿加載來模擬采場上覆巖層的壓力,邊界條件取開挖空間的5倍,在模型開挖過程中對模擬開挖的巖體進行應變、位移、聲波連續監測。通過對監測結果分析主要發現以下幾點。

1)1#模型隨著上采高度的增加,各應變監測點應變數值呈增加趨勢,其中水平方向應變增加顯著,當回采斜長達到90cm(相當于原型回采高度38.5m)時,水平方向應變開始急劇增加,很快上盤巖體出現嚴重垮落,將回采空間擠死。對位移監測結果分析發現在礦體回采至斜長60cm(相當于原型回采高度25.7m)的位置時,1#、2#監測點的位移變化不大,表明礦體上下盤都比較穩定。但隨著回采工作的繼續推進,這兩個監測點的位移量迅速增大,說明當回采到斜長60cm時,礦體圍巖開始處于不穩定狀態。對波速三個點的監測也發現模型開挖后巖體縱波波速逐漸增高,回采至斜長90cm(相當于原型回采高度38.5m)時,波速迅速降低。通過分析可知回采斜長90cm(相當于原型回采高度38.5m)處為上盤圍巖失穩的關鍵部位,從位移分析上可以判別當模型回采高度到60cm(原型回采高度25.7m)處為巖體位移的轉折點。

2)模型Ⅱ根據模型Ⅰ開挖的分析結果將上下盤之間的礦柱預留在回采斜長65cm(原型回采高度28m)處,開挖結果顯示該模型采場完成了整個回采高度 (相當于原型回采高度45m。回采過程同樣采用三種監測手段進行監測,通過與模型Ⅰ對應的監測點進行比對發現上盤圍巖應變在回采至斜長45cm(相當于原型回采高度20.3m)拉伸應變達到最大值,之后逐漸降低,位移監測發現回采到中上部以后各監測點的水平方向位移明顯小于模型Ⅰ。聲波監測發現整個監測過程巖體縱波速度變化比較平穩,說明回采過程中通過在上下盤圍巖間關鍵點預留礦柱,使圍巖自身的穩定性有了明顯的改善,最終增加了回采的高度,維護了采場的穩定系。

3)此次相似模擬試驗由于模擬試驗臺的限制,采用了平面應力模型進行模擬,對片理狀巖體采場的長度方向無法實施全方位的模擬,現場調查發現隨著開采空間拉大,沿礦體走向的采場下部局部也會出現巖體片幫,所以是否在采場的中下部上下盤之間預留原生礦柱進行支護,以及原生礦柱的數量與間距等問題還有待于進行研究。本文利用數值模擬實驗來解決這幾方面的問題。

1.2 數值模擬

為了更準確確定采場預留礦柱的詳細結構參數,在相似模擬試驗結果分析基礎之上,利用三維有限元數值模擬軟件3D-σ片理狀巖體采場回采進行數值模擬[8-10],此次模擬實驗主要建立兩種數值模型,一種為未預留原生礦柱的采場回采,第二種模型是在第一種模型模擬結果分析的基礎之上,通過在回采過程中適當部位預留預留原生礦柱的回采模型。數值模擬中巖體的力學參數見表2。

表2 數值模擬巖體力學參數表

模型根據礦體賦存的條件及特點,從上至下分為-60m、-105m、-150m、-195m、-240m五個中段建立三維有限元幾何模型進行數值模擬,模型共記34000多個節點、7000多個單元,沿礦體走向和垂直礦體走向分別取600m,中段高45m,礦體傾角取平均值70°,沿礦體走向采場長度取65m,頂柱厚度取4m,間柱5m,采幅取平均值2m,裝礦進路長度取 6m,進路規格 2.2m×2.5m,進路間距為6.2m。具體模型見圖2、圖3。

通過兩種模型數值模擬結果進行對比,來判斷預留原生礦柱對片理狀巖體采場穩定性所發揮的作用,其中,圖4、圖5為兩種模型采場回采上盤圍巖最大主應力等色圖,圖6、圖7為最大主應力等值線圖,圖8、圖9為兩種模型采場回采上盤圍巖位移等值線圖。

圖2 模型Ⅰ數值模擬結構

圖3 模型Ⅱ數值模擬結構圖

圖4 模型Ⅰ最大主應力等色圖

圖5 模型Ⅱ最大主應力等色圖

圖6 模型Ⅰ最大主應力等直線圖

圖7 模型Ⅱ最大主應力等直線圖

圖8 模型Ⅰ位移等值線圖

圖9 模型Ⅱ位移等值線圖

通過對兩種不同模型數值模擬的最大主應力及位移結果對比分析得到以下幾點:

1)從模型Ⅰ的模擬結果可以看出,在原來采場不預留點柱的情況下,采場上盤頂板圍巖下部最大主應力仍為壓應力,隨著上采的高度增加,壓應力逐漸減小,當上采至15m左右時,壓應力顯著減小。說明拉應力顯著增加,在上采到30m至35m部位時出現了拉應力集中區域 (圖4),通過圖6可知,此處拉應力的數值為0.32M Pa,雖然拉應力數值比較小,但頂板靠近臨空面,在這種拉應力作用下,將導致上盤頂板片理狀巖體的片理折斷,尤其是這種片理狀構造和其他結構面組合作用時,使頂板冒落成為必然。此外,由模型Ⅰ的位移等值線圖可以看出,未預留礦柱時,在上采高度達到30～35m處,上盤圍巖的位移量在20mm以上,最大值達到為24mm。由此可見,對于這種片理狀巖體結構的采場,當上采高度達到15m以上,應力、位移都開始顯著變化,在30～35m區域應力與位移達到峰值,從而引發上盤巖體垮落。

2)模型Ⅱ針對模型Ⅰ的模擬結果在上采高度15m處與30m處預留原生礦柱,為避免下部巖體由于過早揭露引發的頻繁擾動,在15m處沿采場走向預留原生礦柱2個,間距為25m(圖3)。對照數值模擬結果可知,預留了原生礦柱之后,由于礦柱的作用,使頂板應力集中區域明顯減小并被點柱分割,結合圖5可以看出在原先30～35m處的拉應力區域已經消失,采場頂板仍表現為壓應力,點柱也出現了壓應力集中區域,但數值較小。此外,由于礦柱的作用,頂板的位移也降至15mm左右 (圖9)。由此可見,借助于預留原生礦柱的作用,可以分割、改變采場中上部應力分布區域,使拉應力集中區域消失,在一定程度上保證了采場上盤頂板圍巖的穩定性。

3 結論

通過對片理狀巖體采場進行相似模擬與數值模擬聯合分析得到以下主要結論。

1)在采場中預留原生礦柱改變了采場應力分布區域,減少了應力局部集中,改善了圍巖自身的穩定性,提高了上采的高度,解決了礦山的實際問題,也保證了回采的安全性。

2)通過相似模擬與數值模擬的精確分析,在既不影響生產,又能保證安全的前提下,找到了預留原生礦柱的合理參數與最佳位置,即在采場中下部15m處預留原生礦柱兩個,在中上部28m處預留原生礦柱1個,礦柱的高度為4m,寬度為4m,礦柱的截面形狀為上部尖的五邊形。

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