大型复杂群空区下采场稳定性分析

李学锋,徐必根,唐绍辉,郭 葵,郑荣祥

(1.广西大学, 广西南宁 530004;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;3.绍兴平铜集团公司, 浙江绍兴市 312050)

大型复杂群空区下采场稳定性分析

李学锋1,徐必根2,唐绍辉2,郭 葵3,郑荣祥3

(1.广西大学, 广西南宁 530004;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;3.绍兴平铜集团公司, 浙江绍兴市 312050)

绍兴铜都矿业有限公司由于长期采用分段空场法回采,导致在-385m水平以上存在52万m3的复杂采空区群,出现了采场垮塌、地表塌陷等严重地压现象,对深部开采安全已造成严重威胁。为此,在矿山岩体工程地质条件研究的基础上,综合运用三维弹塑性有限元正交试验方法、极限分析法和弹性力学小变形薄板理论等多种岩石力学理论方法,分析计算分段空场法采场的稳定性,评价和预测了分段空场法采场和矿柱的力学行为和破坏特征,为深部采场提供了合理的采场结构参数,有效指导了试验采场6.4万t矿量的安全回采。

群空区;采场稳定性;三维弹塑性有限元法;正交试验;理论分析

0 前 言

应用房柱法、全面法、留矿法等空场法采矿的矿山,若不及时处理采空区,当采空区体积达到一定数量时,就有可能发生大规模突然冒落等地压灾害,造成人员和财产的重大损失[1,2]。地下采空区除在特定条件下可以用永久性矿柱支撑并永久保留外,通常都应当进行处理,其目的在于消除空区。20世纪50～60年代后,除非要长期保留和应用地下空间[3,4],国外一般不留下采空区等待专门处理。由于种种原因,目前我国矿山已存在着4.3亿m3以上未处理采空区[2],有的已危及安全生产。大型复杂群空区条件下的岩层控制技术,是我国非煤地下矿山普遍存在且特有的一类采矿技术难题[5]。

绍兴铜都矿业有限公司是一个年采矿20万t的中型矿山,自1970年建成投产以来,采矿方法主要为有底柱分段矿房法。由于长期采用空场法开采,-385m以上中段存在大小不一、形状各异、上下重叠与错位的100多个采空区群,总量约52万m3。自1977年10月开始出现地压活动以来,已造成地表塌陷、采场顶底板垮塌等严重事故;最近发生的一次强烈地压活动是2004年1′03采场发生顶柱垮塌,造成-335m中段以上的空区直通地表,大量的废石、废渣填充井下,淹埋部分井巷,对矿山安全生产造成严重威胁。目前矿山正在实施的三期工程开采标高为-625m,开采深度达到640m左右,中段高度也由原来的50m,提高到了60m,并且将继续沿用空场采矿法。由于受充填材料的限制,采空区的充填只能采用废石,且无法保证充填所有空区,地表又不容许大范围陷落。灾害性大型复杂群空区诱发的严重地压问题已成为制约矿山安全、高效开采的首要问题。

1 三维弹朔性有限元模拟分析

矿山工程的稳定是个动态稳定问题,贯穿于矿山生产及建设的始终,局部或整体的失稳都与复杂的工程和地质因素有关,因此矿山工程的稳定性评价是一个十分复杂的动态系统工程问题[6～10]。结合分段空场法的特点,基于沿硐周释放荷载法的计算思路,在地质条件、岩体强度及充填材料力学性质一定的条件下,对不同的开采方案进行数值模拟,对各方案的模拟结果进行分析、比较,使矿柱和围岩的应力、位移状态有利于采场的稳定性。采用三维弹塑性有限元法作为研究手段,所用软件为3D-σ三维弹塑性有限元程序。下面以-385m中段806′采场为例进行分析。

1.1 模拟方案

根据矿床开采技术条件和分段空场采矿法的特点,采场沿矿体走向布置,矿房长度50m,中段高度50m,可改变的采场结构参数为间柱的宽度与顶柱的厚度,考虑到岩体力学参数(如弹性模量)的影响,则分段空场采矿法采场稳定性的影响因素主要有3个。稳定性计算中的主要影响因素与水平取值见表1。根据正交设计原理,选用4因素3水平正交表L9(34)来安排试验,共安排9个试验方案。

表1 稳定性计算中的主要影响因素与水平取值

1.2 岩体力学参数

依据岩块力学参数特性测试结果,并考虑岩体的结构效应、地下水、节理裂隙等因素,按照Bieniawski的RMR岩体质量分类法进行修正,利用加拿大Rocscience公司开发的Roclab1.0软件,对矿体、千糜岩、蚀变花岗岩、碎屑熔岩进行岩体物理力学参数计算,确定计算模型所采用的一般状态下的岩体力学参数见表2。而加强状态和削弱状态的力学参数则是在正常状态下增大或减少1/4力学强度。

表2 一般状态下矿岩介质的力学参数

1.3 力学模型与边界条件

根据平水矿床工程地质、矿体几何形态及分段空场法的特点,为模拟大型复杂空区下的不同结构参数对采场稳定性的影响,以绍兴铜都矿业有限公司提供的矿区各中段地质平面图、地质剖面图为建模的基础资料。计算模型范围x=450m(垂直矿体走向方向),y=+35～-745m(共780m),z=2100 m(沿矿体走向方向)。

采用最大拉应力判据,结合Drucker-Prager屈服准则来确定矿体开采的应力、位移、可能出现的破坏范围、最大裂隙带高度等,以此来确定绍兴铜都矿业有限公司采场结构的稳定性。

1.4 模拟计算结果与分析

空场法采矿要求在开采过程中留设具有长期强度的矿柱支撑采空区顶板,基本出发点是间柱和顶柱要有足够的尺寸,它取决于地质条件、开采深度、矿房尺寸、采场平面布置与空间布局,以及对地面变形的要求等[11]。因此主要考察间柱、顶柱的应力状态,以及采后废石充填高度对采场稳定性的影响。

1.4.1 顶柱应力状态及破坏域分析

806′采场回采完成后,顶柱上的主应力σ1、σ2和σ3均为拉应力,拉应力过大是顶柱产生塑性破坏的主要原因。顶柱破坏域分布随顶柱厚度变化关系见图1。模拟结果表明,影响顶柱稳定性的最主要因素为顶柱的厚度,岩体力学参数次之。随着顶柱厚度的增加,顶柱上的主应力也随之下降,塑性破坏区范围缩小,直到消失。在拟定的模拟方案组合中,最优的结构参数组合为顶柱厚度9m,间柱宽10m。

图1 顶柱破坏域分布随顶柱厚度变化关系

1.4.2 间柱应力状态分析

两侧采场回采后,间柱所处应力状态非常复杂,最大拉应力集中部位出现在间柱两端靠近顶、底柱处;最大压应力集中部位出现在间柱下端靠近底柱处;最大剪应力集中部位出现在间柱下端靠近底柱处。剪应力过大是间柱产生塑性破坏的主要原因。

影响间柱稳定性的最主要因素为间柱宽度,矿岩强度次之。在拟定的模拟方案组合中,最优的结构参数组合为顶柱厚度7m、间柱宽6m并加固矿柱使其强度增大的方案。

1.4.3 废石充填高度对采场稳定性的影响

806′采场顶柱、间柱在不同废石充填高度下的应力状态见表3。

由表3可知,采场充填高度达到1/3时,间柱的应力状态明显得到改善,其中σ1最大值由4.447 MPa下降为2.061MPa,下降了54%;σ3最大值由30.169MPa下降为19.841MPa,下降了34%;τyz最大值由8.999MPa下降为6.727MPa,下降了25%;τxz应力值大小虽然没有变化,但应力极值范围有所缩小;因此采空区充填是控制采空区塌陷与垮落的有效手段。但随着充填高度的继续增加,间柱的应力状态并未得到进一步的改善,只有当充填完全接顶时,顶柱的应力状态可得到明显改善;但对废石充填工艺来说,难以实现。

表3 806′采场采后不同废石充填高度下的应力状态

2 采场稳定性理论分析与现场试验

2.1 采场稳定性理论分析

2.1.1 矿房间柱稳定性理论分析

矿房间柱形状及尺寸的选择需要考虑采场的稳定性和矿石回收率的高低,从维护采场稳定性方面考虑,房间矿柱的间距应小于极限跨度,间柱本身横断面尺寸应满足强度要求。如果个别矿柱尺寸过小,一旦被压垮,势必使采场实际跨度过大而导致冒顶,与此同时覆岩压力转移到其它相邻矿柱上,也可能迫使这些矿柱破坏,引起连锁反应。

根据数值分析结果及-385m中段806′采场的实际情况,采用欧洲最常用的正方形矿柱和有限长度的长方形矿柱的设计公式——凯格尔(K.Kegel)强度设计公式[12]进行矿柱稳定性分析计算。结果表明,采场矿房宽:8线左侧808′采场Wo=42m,6′线左侧806′采场Wo=43m,6′线右侧606′采场Wo=44m,取平均宽度Wo=43m,采场高h=34m,采场间柱宽:6′线Wp=6m,8线Wp=8m。平均采深H=360m,平均容重γ=1700kg/m3,矿岩强度σc=179.7MPa。

采用凯格尔(K.Kegel)强度设计公式时,806’采场8线间柱8m宽时,安全系数为1.79,6′线间柱6 m宽时的安全系数为1.21;1.21的安全系数虽可保证回采期间的稳定,但由于留设的房间矿柱需要长期负载以保护矿房顶柱的稳定性,容许的安全系数应大于1.5,因此,矿房回采后必须对其进行充填,以减少矿柱的暴露高度,达到增加稳定性的目的。根据矿柱安全系数计算公式,空区充填高度与6m间柱安全系数关系见图2。

图2 806’采场的6’线间柱暴露高度与安全系数的关系

由图2可知:为确保采场的稳定和开采安全,建议该采场的废石充填高度为15m以上。

2.1.2 采场顶柱稳定性分析

为了保证回采时的安全,减少矿石的损失贫化,必须科学合理地确定采场顶柱安全厚度[13]。评价采空区顶柱稳定性必须分析两个因素,一是内在因素,包括顶柱的厚度、跨度、形态及岩体的工程特性指标等;二是外在因素,包括采场的回采顺序、爆破震动影响等。综合来说,影响采空区顶柱的稳定因素主要有4个方面,即顶柱的完整程度、顶柱形态(水平或拱形)、顶柱的厚度及跨度。

2.1.2.1 基于极限分析法的顶柱安全厚度

根据文献[13]基于极限分析法的顶柱安全厚度计算分析公式试算结果(按四周固支和三固一简约束形式计算顶柱岩层安全厚度)和采矿方法设计方案,在806′采场长度为43m,不同的采场跨度(矿体厚度)情况下,采场顶柱安全厚度与采场跨度的关系见图3。

图3 顶柱安全厚度与采场跨度的关系

从最安全、保守的角度考虑,取采场顶柱矿体的平均厚度为13m时,顶柱的安全厚度应当大于9.5 m(含-335m中段有效底柱高度1.2m)。

2.1.2.2 基于小变形薄板理论的顶柱安全厚度

矿山开采是在三维空间中进行的,采用空场法开采的矿体采出后,悬空顶柱由间柱和上下盘围岩支撑,并在矿房上方形成具有某种边界约束的三维板状结构[13]。采场顶柱稳定性状况可以通过板结构的强度计算进行分析[13]。根据弹性理论,求得矿房顶柱中的最大主应力为:σ1=1.91(＜2.03)MPa,σ2=0.67(＜2.03)MPa,τmax=0.62(＜5.96)MPa。

计算结果表明,矿房顶柱中产生的最大主应力(拉应力)和最小主应力(拉应力)均小于矿体的抗拉强度。矿房顶柱最大剪应力小于下盘千糜岩的抗剪强度,不会产生剪切破坏。

2.2 现场试验

根据三维弹塑性有限元模拟正交试验结果和理论分析结果,-385m中段806′采场现场工业试验采用的采场结构参数为:顶柱厚度为9m(不含-335m中段有效底柱高度1.2m);8线间柱宽度为8 m,6′线间柱宽度为6m。并在开采过程中,采取了如下相应的技术措施来保证回采安全与采空区的稳定:

(1)在进行采场设计时,保证上下中段各采场的间柱位置上下对应;在靠近间柱和顶柱时,采取相应的控制爆破措施,减少对矿柱、顶柱的爆破振动破坏和超挖,以维护矿柱、顶柱的完整性、保证矿柱的尺寸大小和直立度;

(2)在没有采取有效的充填措施时,严禁开挖矿柱,并且严禁在矿柱内施工人行天井等工程;

(3)对采场上下盘围岩、顶柱和间柱采取相应的支护措施进行支护;

(4)及时封闭通往采空区的通道,防止井下泥石流和空气冲击波的危害。

到2008年底,-385m中段806′采场共回采矿量64059t,没有出现一例安全事故,取得了良好的社会经济效益。

3 结 论

通过三维弹塑性有限元法数值模拟正交试验、理论分析计算和现场试验,评价和分析了大型复杂空区下分段空场采矿法采场和矿柱的力学行为和稳定性,优化了采场结构参数,得到了如下重要结论:

(1)分段空场采矿法采场回采完成后,顶柱上的主应力σ1、σ2和σ3均为拉应力,拉应力过大是顶柱产生塑性破坏的主要原因。影响顶柱稳定性的最主要因素为顶柱的厚度,岩体力学参数次之。随着顶柱厚度的增加,顶柱上的主应力也随之下降,塑性破坏区范围相应缩小,直到消失。

(2)分段空场法采场回采后,间柱所处应力状态非常复杂,最大拉应力集中部位出现在间柱两端靠近顶、底柱处;最大压应力集中部位出现在间柱下端靠近底柱处;最大剪应力集中部位出现在间柱下端靠近底柱处。剪应力过大是间柱产生塑性破坏的主要原因。影响间柱稳定性的最主要因素为间柱宽度,岩体力学参数次之。增加间柱稳定性的措施为加固间柱和采后立即充填以减少矿柱的暴露高度。

(3)分段空场法采场回采后及时充填是控制采空区垮落的有效手段。随着废石充填高度的增加,间柱的应力状态得到明显的改善。当采场充填高度达到1/3时,间柱中σ1max下降54%,σ3max下降34%;因此废石充填高度应超过1/3。

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2010-03-25)

李学锋(1965-),博士,教授,第六届中国有色金属学会采矿学术委员会委员,主要从事采矿与岩石力学教学和科研工作,Email:lixfcshncn@126.com。