基于力學(xué)模型計(jì)算徐樓鐵礦帷幕注漿厚度

張賀庭

(淮北徐樓礦業(yè)有限公司)

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基于力學(xué)模型計(jì)算徐樓鐵礦帷幕注漿厚度

張賀庭

(淮北徐樓礦業(yè)有限公司)

摘要近礦帷幕注漿采場(chǎng)頂板形成的防滲帷幕體，既具有防滲阻水的作用，又具有承受上部荷載的作用，因此帷幕體的厚度顯得尤為重要。以徐樓鐵礦帷幕注漿為例，結(jié)合斷裂力學(xué)的Westergaard應(yīng)力函數(shù)及薄板彎曲變形結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，建立了近礦頂板注漿帷幕厚度的力學(xué)模型，基于該模型計(jì)算了徐樓鐵礦頂板帷幕注漿的厚度。該力學(xué)模型為頂板注漿帷幕厚度分析提供了一條新的途徑。

關(guān)鍵詞近礦帷幕注漿采場(chǎng)頂板力學(xué)模型

徐樓礦區(qū)位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，礦區(qū)為沖積平原，地勢(shì)平坦，地表海拔約30 m。徐樓礦區(qū)石樓礦床一礦帶位于閃長(zhǎng)巖與大理巖連接帶或其附近的大理巖內(nèi)。礦體埋藏于侵蝕基準(zhǔn)面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體頂?shù)装寤緸榇罄韼r，而大理巖便為巖溶裂隙含水層，該含水層埋藏于地表以下42～120 m處，厚40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發(fā)育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。在石樓一礦帶開(kāi)采過(guò)程中，若第四系砂層孔隙水不進(jìn)入礦坑，該礦坑涌水主要為巖溶裂隙水，流向集水坑道的地下水呈平面流形式。在不采取任何治水措施的前提下，晝夜涌水量超過(guò)30 000 m3；若顧及四系砂層水，則晝夜涌水量超過(guò)100 000 m3。因此，要實(shí)現(xiàn)成功開(kāi)采，須有效治水，通過(guò)方案論證選擇近礦帷幕注漿方案。本研究結(jié)合前人相關(guān)研究成果，通過(guò)構(gòu)建力學(xué)模型計(jì)算該礦帷幕注漿厚度。

1　近礦體帷幕厚度力學(xué)模型構(gòu)建

1.1帷幕厚度模型

根據(jù)礦體頂板注漿帷幕的作用機(jī)理，注漿帷幕厚度可分為：①無(wú)效厚度(h1)，靠近采空區(qū)，在采礦爆破作業(yè)、采空區(qū)四周應(yīng)力重分布引起應(yīng)力集中的情況下，注漿帷幕體在該范圍內(nèi)形成的裂隙帶，無(wú)法發(fā)揮有效的隔水作用；②有效厚度(h2)，相對(duì)遠(yuǎn)離采空區(qū)，受采礦作業(yè)的影響較小，為完整的隔水體，為防滲阻水和維持采場(chǎng)頂板穩(wěn)定的主體(圖1)。

1.2無(wú)效厚度假設(shè)條件及計(jì)算

假設(shè)條件：①采空區(qū)破壞后形成大裂紋，裂紋四周即為近礦帷幕體；②將注漿堵水帷幕體分為有效和無(wú)效兩部分；③破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則；④采場(chǎng)邊界條件滿足采場(chǎng)上下表面無(wú)應(yīng)力、采場(chǎng)左右邊緣存在應(yīng)力集中、遠(yuǎn)離采空區(qū)應(yīng)力集中消失等條件。基于上述假設(shè)，帷幕邊緣的應(yīng)力以Westergaard應(yīng)力函數(shù)[1-3]為基礎(chǔ)，可推導(dǎo)出帷幕無(wú)效厚度(h1)的計(jì)算公式

圖1　徐樓鐵礦近礦帷幕厚度概化模型

(1)

式中，γ為注漿帷幕上覆巖體的平均容重，kN/m3；H為采場(chǎng)的最大埋深；Lx為采場(chǎng)暴露長(zhǎng)度m；θ為破壞點(diǎn)與水平方向的夾角，采場(chǎng)頂板夾角為90°；Rc為帷幕注漿體抗壓強(qiáng)度，MPa。

1.3有效厚度假設(shè)條件及計(jì)算

有效厚度假設(shè)條件：①符合彈塑性力學(xué)，其變形近似薄板的彎曲變形；②滿足H·Treasca屈服準(zhǔn)則[1-3]。依據(jù)彈性力學(xué)薄板理論，以板中的撓曲函數(shù)為基礎(chǔ)，可推導(dǎo)出帷幕有效厚度(h2)的計(jì)算公式

(2)

式中，Lx、Ly為采場(chǎng)暴露尺寸(長(zhǎng)、寬)，m;P為靜水水壓，MPa；GH為垂向應(yīng)力，MPa；v為注漿帷幕體的泊松比；τ為注漿帷幕隔水體的平均抗剪強(qiáng)度，MPa。

2　近礦帷幕厚度計(jì)算

2.1注漿帷幕范圍

帷幕分布于-26～-125 m水平，垂直高度為100 m；帷幕長(zhǎng)度從-100 m水平東部探礦巷西端至-45 m水平6-2#回風(fēng)穿脈，長(zhǎng)約360 m。該堵水工程是在井下硐室和巷道施工鉆孔并進(jìn)行注漿，在礦體頂板附近形成隔水帷幕，封堵礦體外圍地下水。

2.2帷幕厚度力學(xué)計(jì)算參數(shù)選取

徐樓鐵礦一礦帶盤區(qū)小礦房開(kāi)采采用分段空?qǐng)龇ǎ淮涡员┞睹娣e長(zhǎng)(Lx)38 m，寬(Ly)10 m，礦體產(chǎn)于大理巖與閃長(zhǎng)巖的接觸帶，大理巖為礦體的直接頂板，為礦區(qū)一含水層，水頭高于地表0.6～0.8 m，為承壓巖溶裂隙水。礦區(qū)地面標(biāo)高約30 m，回風(fēng)巷最低標(biāo)高-58 m，作用于頂板的靜水壓水頭為88.8 m，按90 m計(jì)算，靜水壓取0.9 MPa；注漿帷幕上覆巖體的平均容重27 kN/m3；注漿帷幕體主要位于大理巖體中，大理巖的飽和抗壓強(qiáng)度為44.17 MPa，按60%折減，取允許抗壓強(qiáng)度2 650 kN/m2；注漿帷幕體的泊松比取0.31；注漿帷幕體的抗剪強(qiáng)度取大理巖允許抗壓強(qiáng)度的1/10，允許抗剪強(qiáng)度取265 kN/m2；采場(chǎng)最大埋深取88 m。

2.3注漿帷幕體厚度計(jì)算

將上述參數(shù)代入式(1)、(2)，計(jì)算得出注漿帷幕的無(wú)效厚度(h1)為5.4 m，有效厚度(h2)為15.6 m，帷幕注漿的總厚度(h)為21 m。

3　結(jié)　語(yǔ)

以徐樓鐵礦為例，構(gòu)建了近礦頂板注漿帷幕厚度力學(xué)模型，基于該模型計(jì)算得出的徐樓鐵礦石樓礦床注漿帷幕的厚度為21 m，考慮一定的安全系數(shù)，注漿帷幕設(shè)計(jì)實(shí)施厚度為25 m。近年來(lái)的開(kāi)采實(shí)踐表明，井下涌水量在實(shí)施帷幕注漿后減少了85%，成效顯著，對(duì)于類似礦山有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐加夫.鐵礦床開(kāi)采井下近礦體帷幕注漿技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(12)：78-81．

[3]韓偉偉，李術(shù)才，張慶松，等.礦山帷幕薄弱區(qū)綜合分析方法研究[J].巖石力學(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，32(3)：512-519．

(收稿日期2016-05-31)

張賀庭(1985—)，男，助理工程師，235100 安徽省淮北市濉溪縣百善鎮(zhèn)。