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淺埋大采空區(qū)殘礦回采上覆巖層及井筒穩(wěn)定性研究

2015-03-28 02:36費鴻祿趙雁海張龍飛
金屬礦山 2015年8期
關(guān)鍵詞:殘礦豎井中段

費鴻祿 胡 剛 趙雁海 張龍飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院,遼寧 阜新123000;2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西 太原030024;3.內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭014030)

隨著礦產(chǎn)資源的日益枯竭以及礦山生產(chǎn)的迫切需求,殘留礦體的安全高效回采已成為許多礦山企業(yè)面臨的難題[1]。殘留礦體對采空區(qū)的頂板起到支撐作用,只有采取一定的技術(shù)手段才能保證殘留礦體回采時上覆巖層的穩(wěn)定,同時井筒的變形破壞受上覆巖層移動的影響。因此,有必要對殘礦回采上覆巖層、井筒的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,這對于提高礦產(chǎn)資源的采出率,實現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

針對殘礦回采上覆巖層、井筒穩(wěn)定性的問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。劉長友等[3]研究了充填開采時上覆巖層的活動規(guī)律和穩(wěn)定性,提出了保持巖層移動的合理范圍以及充填體的允許壓縮率;王家臣等[4]通過實驗?zāi)M不同充填率情況下上覆巖層應(yīng)力變化和巖層移動特征;彭濤等[5]以大平礦為工程背景,研究了副井井筒的破壞機(jī)理;許家林等[6]利用數(shù)值模擬軟件,對地表沉陷的影響進(jìn)行了研究;陳維等[7]利用FLAC3D軟件,對第四系松散層下豎井破裂規(guī)律進(jìn)行了模擬研究;Eva Jirankova 和Vladimir Petros[8]研究了堅硬上覆巖層的應(yīng)力變化;王金安等[9]通過數(shù)值模擬對淺埋堅硬上覆巖層下開采地表塌陷的機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明:復(fù)合應(yīng)力拱破壞是導(dǎo)致采場上覆巖石斷裂、地表塌陷的主要原因。但以上研究均未針對淺埋大采空區(qū)的特殊情況進(jìn)行上覆巖層、井筒的穩(wěn)定性分析。

本研究首先分析了礦體采空區(qū)上覆巖層和井筒的破壞機(jī)理,并基于H-K 體建立了礦體采空區(qū)頂板流變力學(xué)模型;然后采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,分析了殘礦回采上覆巖層和井筒的應(yīng)力、位移變化規(guī)律;再結(jié)合現(xiàn)場取樣、室內(nèi)力學(xué)實驗的數(shù)據(jù),得出了礦體上覆巖層不會發(fā)生坍塌,井筒不會發(fā)生破壞,為淺埋大采空區(qū)殘礦回采提供參考。

1 工程背景

朝不楞礦區(qū)鐵鋅多金屬礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗東北部,礦區(qū)位于蒙古高原東南邊緣;分為南、北和西3 個礦帶,礦體成群成帶分布,長約10 km,寬約3 km,采選規(guī)模1 500 t/d。礦區(qū)出露地層有中奧陶統(tǒng)、上志留統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)、上泥盆統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、第三系上新統(tǒng)和第四系全新統(tǒng)。礦體圍巖是中泥盆統(tǒng)塔爾巴特組下巖段的含灰?guī)r的一套淺海相沉積地層,后經(jīng)燕山早期第二次黑云母花崗巖侵入,在接觸帶及其附近,發(fā)生接觸交待作用和熱液變質(zhì)作用,形成各種矽卡巖、角巖和大理巖等變質(zhì)巖石,其中礦體圍巖絕大部分為矽卡巖,普氏系數(shù)為8 ~12。

朝不楞礦Ⅲ區(qū)二中段采空區(qū)分布范圍較大,共16 個采空區(qū),暴露面積為4 270 m2,其中C202 -1 采空區(qū)暴露面積最大為890 m2;Ⅲ區(qū)三中段采空區(qū)分布范圍最大,共25 個采空區(qū),暴露面積為11 389 m2,其中C302 -1 采空區(qū)暴露面積最大為917 m2,為礦區(qū)暴露面積最大的采空區(qū);并且采空區(qū)上部存在一層厚度為15 ~24 m 的氧化帶,氧化帶上緊鄰第三系、第四系巖層直至地表。如圖1 所示,豎井1、2 和盲豎井1 臨近采空區(qū),形狀和規(guī)格分別為圓形,d =3.2 m;矩形,2.4 m×2.8 m;圓形,d =3.5m。由于豎井1 距離采空區(qū)較近,因此針對豎井1,分析殘礦回采井筒的穩(wěn)定性。

2 殘礦回采頂板及井筒破壞機(jī)理

2.1 采空區(qū)頂板力學(xué)模型

在淺埋大采空區(qū)殘礦回采之前,殘留礦體對采空區(qū)頂板具有支撐作用,在不考慮頂板局部破壞,將采空區(qū)頂板簡化為彈性矩形薄板,如圖2 所示。設(shè)彈性矩形薄板長度為2a,寬度為2b,厚度為h;頂板巖體的彈性模量為E,泊松比為υ,體密度為ρ;殘留礦體

圖1 采空區(qū)平面圖Fig.1 Plane graph of mined-out area

平均面積為S,高度為H,數(shù)量為m。則采空區(qū)頂板控制方程[10]為

式中,ω 為采空區(qū)頂板撓度;D 為采空區(qū)頂板抗彎剛度,D = Eh/ [12 (1 - ν2)];ξ 為殘留礦體支撐力等效為均布面力系數(shù),ξ = mS/(4ab);σ 為殘留礦體支撐采空區(qū)頂板的應(yīng)力;q0為采空區(qū)頂板承受的應(yīng)力。假設(shè)殘留礦體是等距分布的,作用在頂板上總的均布載荷q 由q0與頂板的自重載荷ρgh 疊加而成,即q =q0+ ρgh。

圖2 采空區(qū)頂板模型Fig.2 The model of goaf roof

圖3 H-K 體流變模型Fig.3 Rheological model of H-K

采用H-K 體流變模型,如圖3,模擬殘留礦體,其本構(gòu)關(guān)系為

式中,k1,k2為H-K 體彈性系數(shù);η1為黏性系數(shù)。

采空區(qū)殘留礦體軸向應(yīng)變和位移關(guān)系為

將H-K 體本構(gòu)關(guān)系式(3)以及應(yīng)變位移關(guān)系式(4)引入采空區(qū)頂板控制方程式(1),可以得到

式中,ω' 為采空區(qū)頂板下沉撓度ω 對時間的一階導(dǎo)數(shù)。

2.2 井筒破壞機(jī)理

殘礦回采引起上覆巖層的移動可能影響到巖體內(nèi)井筒井壁的變形破壞,在諸多變形破壞的形式中,以豎向變形[11]破壞最為常見,這與井筒為豎向線性建筑物的特點有關(guān)。由于井筒豎向比較長,在殘礦回采過程中,上覆巖層的移動可能導(dǎo)致豎向附加力的累積;如果豎向附加力和井筒的自重之和大于井筒井壁的豎向承載能力,就會導(dǎo)致井筒井壁發(fā)生變形破壞。

假設(shè)井筒井壁與巖石接觸的區(qū)域摩擦系數(shù)和巖體水平側(cè)壓系數(shù)保持不變,則井筒井壁受上覆巖層移動而產(chǎn)生的豎向附加力[12]為

式中,z 為巖層深度,m;A 為單位長井筒的表面積,m2/m;l 為采動影響深度,m;C 為黏聚力,N/m2;μ 為靜摩擦系數(shù);λ 為巖體水平側(cè)壓系數(shù);γ 為上覆巖層平均容重,N/m3。

假設(shè)井筒的自重為R,井筒井壁的豎向承載力為P,如果

則井筒井壁發(fā)生變形破壞。

3 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

3.1 本構(gòu)模型破壞準(zhǔn)則

FLAC3D模擬軟件是一種三維顯式有限差分法程序,相對于有限元法,顯式有限差分算法對材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形都模擬的更加精確,對材料彈塑性分析、大變形分析具有較大的優(yōu)勢。本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫巖土通用模型,該模型采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則[13]。

抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為

抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

3.2 初始力學(xué)參數(shù)確定

通過現(xiàn)場勘探取樣,進(jìn)行現(xiàn)場實驗和室內(nèi)實驗確定礦體和圍巖的初始力學(xué)參數(shù)[14]。利用TAW -2000 單軸-三軸試驗儀測定礦體和圍巖的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,進(jìn)而計算內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù);利用非金屬超聲檢測分析儀測定礦體和圍巖縱波速度和彈性模量。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

針對Ⅲ區(qū)二、三中段存在的較大面積空區(qū),對朝不楞礦Ⅲ區(qū)進(jìn)行礦體建模;考慮礦區(qū)水文及工程地質(zhì)環(huán)境特征的影響,表層覆蓋層為2 層:一層為第四系風(fēng)化系,設(shè)計厚度40 m;另一層為第二系紅黏土,設(shè)計厚度10 m;建立模型的高度為210 m,沿全局坐標(biāo)x 方向長600 m,y 方向?qū)?00 m。為了放大殘礦回采對井筒的影響,將豎井1、豎井2 井筒沿x、y 坐標(biāo)分別向Ⅲ區(qū)做1 ~10 m 的靠近。

設(shè)置單元數(shù)為101 328 個,網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為108 452個。如圖4 所示,模型的邊界條件為:模型底部采用3 個方向的固定值,模型兩側(cè)采用對應(yīng)水平方向的固定邊界,模型上部為自由邊界不進(jìn)行約束;重力的設(shè)置采用默認(rèn)的重力大小和方向。

圖4 Ⅲ區(qū)模型Fig.4 Model of area Ⅲ

Ⅲ區(qū)二、三中段回采后上覆巖層應(yīng)力和位移分布見圖5 ~圖8。

Ⅲ區(qū)二中段殘礦回采完成后,地表移動帶范圍內(nèi)有小部分拉應(yīng)力分布區(qū),拉應(yīng)力最大值為0.13 MPa,移動帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū),壓應(yīng)力保持在0 ~1 MPa。Ⅲ區(qū)二中段回采后,地表移動帶范圍內(nèi),x方向水平位移保持在0 ~0.4 mm,y 方向水平位移保持在0 ~0.3 mm,豎直方向位移保持在0 ~1.6 mm。

Ⅲ區(qū)三中段殘礦回采完成后,地表移動帶范圍內(nèi)有小部分拉應(yīng)力分布區(qū),拉應(yīng)力最大值為0.12 MPa,移動帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū),壓應(yīng)力保持在0 ~1MPa。Ⅲ區(qū)三中段回采后,地表移動帶范圍內(nèi),x 方向水平位移保持在0 ~0.33 mm,y 方向水平位移保持在0 ~0.3 mm,豎直方向位移保持在0 ~1 mm。

圖5 Ⅲ區(qū)二中段回采后上覆巖層應(yīng)力云圖Fig.5 The overlying strata stress nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖6 Ⅲ區(qū)二中段回采后上覆巖層位移云圖Fig.6 The overlying strata displacement nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

從圖9 可以看出殘礦回采完成后,上覆巖層單元體無塑性區(qū),回采工程未造成上覆巖層塑性破壞。

Ⅲ區(qū)二、三中段回采后井筒應(yīng)力和位移分布見圖10 ~圖13。

Ⅲ區(qū)二中段回采完成后,豎井1 區(qū)域內(nèi)位移值為零;Ⅲ區(qū)三中段回采完成后,豎井1 區(qū)域內(nèi)位移最大值為0.2 mm。

從圖14 可以看出,豎井1 區(qū)域完全彈性,未發(fā)生破壞,右側(cè)灰色單元體表示為采空區(qū)C301 -1 等充填體曾發(fā)生過受拉破壞。

圖7 Ⅲ區(qū)三中段回采后上覆巖層應(yīng)力云圖Fig.7 The overlying strata stress nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖8 Ⅲ區(qū)三中段回采后上覆巖層位移云圖Fig.8 The overlying strata displacement nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖9 Ⅲ區(qū)回采后上覆巖層塑性狀態(tài)云圖Fig.9 The overlying strata plastic nephogram after mining of area Ⅲ

Ⅲ區(qū)二、三中段回采完成后,豎井1 區(qū)域均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,壓應(yīng)力最大值均為5.9 MPa。

圖10 Ⅲ區(qū)二中段回采后豎井1 應(yīng)力云圖Fig.10 The shaft 1 stress nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖11 Ⅲ區(qū)三中段回采后豎井1 應(yīng)力云圖Fig.11 The shaft 1 stress nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

5 結(jié) 論

(1)將巖石流變力學(xué)H -K 體模型引入采空區(qū)殘留礦體之中,對采空區(qū)頂板破壞機(jī)理進(jìn)行研究,建立了礦體采空區(qū)頂板流變力學(xué)模型,為殘礦回采提供了理論依據(jù)。

(2)通過數(shù)值模擬分析,Ⅲ區(qū)二、三中段殘礦回采完成后,地表移動帶范圍內(nèi),出現(xiàn)小部分拉應(yīng)力分布區(qū),拉應(yīng)力最大值分別為0.13 MPa 和0.12 MPa;移動帶內(nèi)其他區(qū)域均為壓應(yīng)力分布區(qū),壓應(yīng)力均保持在0 ~1MPa?;夭赏瓿珊?,Ⅲ區(qū)二中段豎直方向位移最大值為1.6 mm,Ⅲ區(qū)三中段豎直方向位移最大值為1 mm,并且上覆巖層未造成塑性破壞。

圖12 Ⅲ區(qū)二中段回采后豎井1 位移云圖Fig.12 The shaft 1 displacement nephogram after mining of second middle part at area Ⅲ

圖13 Ⅲ區(qū)三中段回采后豎井1 位移云圖Fig.13 The shaft 1 displacement nephogram after mining of third middle part at area Ⅲ

圖14 Ⅲ區(qū)回采后豎井1 塑性狀態(tài)云圖Fig.14 The shaft 1 plastic nephogram after mining of area Ⅲ

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明,Ⅲ區(qū)二、三中段殘礦回采完成后,豎井1 區(qū)域均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,壓應(yīng)力最大值均為5.9 MPa。豎井1 區(qū)域內(nèi)最大位移值為0.2 mm,發(fā)生在Ⅲ區(qū)三中段回采完成后,并且井筒未造成塑性破壞。

(4)研究成果表明殘礦回采不會造成上覆巖層坍塌和井筒破壞,但在實際回采過程中,應(yīng)加強(qiáng)充填體的強(qiáng)度并且適當(dāng)保留部分殘留礦體,避免發(fā)生安全事故,確保淺埋大采空區(qū)殘礦回采上覆巖層和井筒的穩(wěn)定性。

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