裴明松 許夢國 王 平 商歡迪 杜宇翔 馮仁杰

(冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081)

崩落采礦法因生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點而被地下鐵礦山廣泛采用，采用此法采出的鐵礦占總量的85%以上［1］。同時，崩落法采礦也存在地表塌陷嚴重，對周圍環(huán)境影響大，征地困難等缺點。但是由于近年來鐵礦石價格的不斷下跌，礦山的經(jīng)濟效益得不到保證［2］，因此在環(huán)保要求日益嚴格的形勢下，崩落法礦山亟需一種既能高效回收礦石，又不對周圍環(huán)境造成巨大破壞的采礦模式回收礦石。

程潮鐵礦為我國典型的采用無底柱分段崩落法的地下金屬礦山，隨著開采水平的下降，礦體逐漸西移，選廠下保安礦柱的礦量逐漸增大。若不對其進行回收，礦山大量礦產(chǎn)資源將丟失。為了確保地表穩(wěn)定性和礦山經(jīng)濟效益，該礦擬采用兩種方法同時開采的形式——充填法回收保安礦柱，崩落法回采保安礦柱以外的礦體，該開采方案既能夠保證地表穩(wěn)定性，使塌陷坑不進一步擴大，同時使礦山年生產(chǎn)能力不發(fā)生太大改變。為了探究該方案對選廠及其周圍構(gòu)筑物的影響情況，采用室內(nèi)模型相似材料試驗對選廠區(qū)域地表變形規(guī)律進行了研究。

1 相似理論

相似模擬試驗是基于相似理論，利用事物或現(xiàn)象間存在的類似等特征來研究自然規(guī)律的一種方法［3］。長期以來，模型試驗一直是解決復雜工程課題的重要手段，在巖土工程研究中已得到廣泛應用［4］。相似準則是進行相似模擬試驗進行的前提。線彈性模型的相似準則一般是根據(jù)彈性力學基本原理進行推導而獲得的，由平衡、幾何、物理及邊界條件方程可以分別推出線彈性問題基本相似判據(jù)為［5］

式中，Cσ為應力相似比，Cγ為容重相似比，CL為幾何相似比，Cu為位移相似比，Cε為應變相似比，CE為彈性模量相似比，Cμ為泊松比相似比，Cf為摩擦系數(shù)相似比，Cφ為內(nèi)摩擦角相似比，Cσt為抗壓強度相似比，Cσc為抗拉強度相似比。

在實際中，相似模擬試驗要全部滿足上述關(guān)系式十分困難，因此常常根據(jù)試驗研究對象及其目標，選取主要相似準則設計試驗，以達到對物理現(xiàn)象的研究［6-7］。本試驗中選取Cσ= CγCL作為主要相似準則。

2 試驗方案設計

2.1 模擬范圍確定

在綜合考慮地質(zhì)、采礦等因素后，選取沿走向地下礦體分布復雜、厚度適中、工程地質(zhì)和采礦條件具有代表性的剖面。模擬開采范圍為－290 ～－500 m選廠下保安礦柱和－377 ～－500 m 保安礦柱以外礦體，因此確定的深度范圍為+58 ～－700 m，總深度為758 m;選取模擬的寬度為1 056 m;選取的剖面上盤主要為大理巖、下盤主要為花崗巖。最終的模型見圖1，其中1#～4#為百分表監(jiān)測點，CH1 ～CH6 為應變片監(jiān)測點，同時在應變片上設置全站儀監(jiān)測點輔助監(jiān)測模型沉降。

圖1 相似模擬典型剖面(單位:m)Fig.1 Typical section of simulation experiment

2.2 試驗方案確定

試驗中對－290 ～－500 m 礦體進行充填法開采過程的模擬，同時模擬無底柱分段崩落法開采－377～－500 m 的礦體，具體的試驗方案及步驟見表1。

表1 試驗方案及步驟Table 1 Experimental scheme and steps

3 試驗過程

3.1 相似比選取

通過對多個不同相似比的分析比較，選定CL=600 ，Cγ= 1.3 ，則由式(1)得Cσ= 780 。模型試驗的地點選在武漢科技大學巖石力學實驗室內(nèi)，試驗架全部采用型鋼材料制作，凈斷面長2.50 m、高2.30 m、寬0.20 m?？紤]到試驗模型具有強底低、易垮、易碎的特點，模型的寬度選定為0.20 m，按照600 的幾何相似比計算，試驗需要的模型架長1.76 m、高1.36 m、寬0.20 m，實驗室可以滿足要求。

3.2 相似材料的選取

根據(jù)相似理論，試驗中的模型由相似材料制作，相似材料對模型相似試驗的成功與否起決定性作用［5］。根據(jù)相似原理和程潮鐵礦礦石和圍巖的物理力學參數(shù)，結(jié)合模型的應力相似比為1∶ 780，可計算得到模型材料的物理力學參數(shù)，參考肖杰等［9-12］關(guān)于模型配比試驗研究成果，選取河沙、重晶石粉、石膏、鐵礦粉為相似材料的原料，通過正交試驗法設計出模型材料可能的配比方案，在材料試驗機上測試其物理力學參數(shù)，選擇滿足要求的配比方案見表2。

表2 選取的相似材料配比及力學參數(shù)Table 2 Similar material proportion and mechnical parameters

3.3 模型制作

模擬開采區(qū)域無不良地質(zhì)體，礦區(qū)構(gòu)造應力遠小于自重應力，因此相似材料模型不考慮不良地質(zhì)體的影響，僅考慮相似材料模型的自重應力，自重應力場完全由相似材料的重力施加。根據(jù)模型的前后均無約束等條件，制作出的模型處于平面應力狀態(tài)。

相似模擬試驗主要包括選取相似材料并進行其配比試驗，模型入模澆筑，監(jiān)測點的布置，模擬開采過程以及數(shù)據(jù)、圖像的收集和處理［3］。獲得模型材料的最佳配比以后，根據(jù)圖1 制作相似試驗模型，按照表2 中相似比配制相似材料，加水攪拌均勻裝入模型架中，成型后及時拆除模板在常溫下養(yǎng)護至模型完全風干。澆筑模型時應該保證模型的表面平整，嚴格按照圖1 中巖石分類進行劃分，同時應該防止混合料離析。在模型風干后裝入模擬的崩落散體塊，靜止1 ～3 d 后使其達到平衡狀態(tài)。制作完成的模型及試驗中采用的測試系統(tǒng)如圖2 所示。

3.4 礦體模擬開采過程

圖2 模型及觀測系統(tǒng)Fig.2 Physical model and observing system

根據(jù)設計方案進行試驗。試驗過程中，用百分表監(jiān)測選廠區(qū)域地表沉降，測點離塌陷坑距離分別為375、250、133、33 mm。用BX2011C1 力學綜合參數(shù)測試儀監(jiān)測選廠區(qū)域應變情況并輔以NTS －362RML全站儀測試應變片位置的沉降。為了實現(xiàn)2 種采礦方法同時開采，模型中充填法采用上向水平分層充填法，礦房寬度為2.1 cm(實際13 m)，礦柱1.2 cm(實際7 m)，礦房由左至右依次開采，保留礦柱。無底柱分段崩落回采巷道由左至右布置。在各分段2 種采礦方法之間預留3.3 cm(實際20 m)隔離礦柱防止2種方法相互影響。按照表1 中各步驟進行開后各步驟開采完成后的模型如圖3 所示。

圖3 各步驟開采后的模型實物圖Fig.3 Physical model diagrams after different mining steps

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 選廠區(qū)域地表沉降分析

在每個開采步驟結(jié)束后記錄百分表讀數(shù)，并根據(jù)模型的幾何相似比為600，可以得到選廠區(qū)域的地表實際沉降情況如圖4 所示。

由圖4 可以看到，采用充填法和無底柱分段崩落法同時開采－500 m 水平以上的礦體時，選廠區(qū)域的最大沉降量為90 mm，分別為3#和4#點，即距離塌陷坑邊緣20 m 和80 m 處。在距離塌陷坑邊緣150 m的2#點處和225 m 的1#點處，地表的沉降量最大值分別為36 mm 和6 mm。表明在開采過程中，選廠區(qū)域地表沉降量與其與塌陷坑的距離負相關(guān)。

對于1#點而言，僅在步驟7 后出現(xiàn)沉降，表明－482 m以上開采活動對距離塌陷坑邊緣225 m 以上區(qū)域不產(chǎn)生影響。對于2#點而言，在步驟6 后沉降12 mm，并在步驟7 后再次沉降24 mm，表明－482 ～－500 m的開采活動對距離塌陷坑邊緣150 m 區(qū)域地表影響較大，－465 m 以上開采活動則對該區(qū)域無影響。對于3#點而言，在步驟1 后沉降6 mm，并在后續(xù)步驟中依次沉降12、18、18、18、18、6、12 mm，表明開采活動初期對距離塌陷坑邊緣80 m 區(qū)域地表即產(chǎn)生影響，－412 ～－465 m 之間的開采活動則對該區(qū)域影響較大。對于4#點而言，在步驟1 后沉降6 mm，并在后續(xù)步驟中依次沉降18、18、24、6、12、6 mm，表明－395 ～－447 m 之間的開采活動則對該區(qū)域影響較大。

此外，全部步驟開采結(jié)束之后通過全站儀測得應變片CH1 ～CH6 處(即近地表區(qū)域巖體)沉降分別為12、18、42、60、78、78 mm。對比百分表測得的地表沉降與全站儀測得的近地表巖體沉降情況與其距塌陷坑的距離可得圖5。

圖5 選廠區(qū)域地表與近地表沉降情況與其距離塌陷坑邊緣的距離對比Fig.5 Comparison of surface and subsurface subsidence of dressing plant area with the distance from collapse pit edge

圖5 表明，選廠區(qū)域近地表巖體的沉降值普遍小于地表的沉降值，說明采礦活動引起的沉降與埋深有關(guān)。但是近地表巖體和地表的沉降情況與塌陷坑邊緣的距離的關(guān)系十分相似，沉降值與該距離負相關(guān)。說明全站儀輔助監(jiān)測起到了較好的作用。

上述分析結(jié)果表明，采用充填法回收保安礦柱，同時在相同階段用無底柱分段崩落法回采保安礦柱以外的礦體對于開采－500 m 水平以上的礦體是有利的。充填法可以很好地控制地表沉降，運用該方法回收保安礦柱對于距離塌陷坑邊緣150 m 以上范圍的地表能夠起到很好的保護作用。但是在20 ～150 m 范圍內(nèi)由于崩落散體施加于塌陷坑邊坡上的重力作用，使得該區(qū)域的沉降遠大于150 m 以外區(qū)域的沉降。此外，隨著采深的不斷增加，地表的沉降量有逐漸增大的趨勢。

4.2 近地表區(qū)域應變情況分析

應變儀記錄各步驟開采過程中標號為CH1 ～CH6 應變片的應變，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 各步驟開采近地表巖體應變情況Fig.6 Subsurface rock strain of dressing plant area after different mining steps

分析圖6 可知，首先，近地表區(qū)域的應變值基本上為正值，表明在開采過程中近地表區(qū)域巖體的應變以拉為主。此外，應變值由CH1 ～CH6 有逐漸變大的趨勢，表明離塌陷坑越近的區(qū)域，其受到地下采礦活動影響越大，這一結(jié)論與地表沉降趨勢一致。CH1、CH2 位置的應變值很小，表明該區(qū)域巖體在開采過程受到的擾動較小，較為穩(wěn)定。CH3、CH4 應變值較小，在整個開采活動過程中變化幅度不大，表明該區(qū)域巖體受到開采活動的影響但是影響作用不大。CH5、CH6 應變值相對較大，在開采活動中變化幅度較大，并有一定的波動，表明地下采礦活動很大程度上影響了該區(qū)域的近地表范圍巖體。

5 結(jié) 論

(1)采用充填法回收保安礦柱，同時在相同階段用無底柱分段崩落法回采保安礦柱以外的礦體可以很好地控制選廠區(qū)域地表的沉降，特別是距離塌陷坑邊緣150 m 以上的區(qū)域基本不會受到地下采礦活動的影響，同時距離塌陷坑20 m 以上范圍內(nèi)地表的沉降值不大，可以保證塌陷坑范圍不發(fā)生變化。

(2)采用上述2 種方法同時開采，距離塌陷坑邊緣越遠，其受到地下采礦活動的影響也越小，選廠區(qū)域近地表范圍內(nèi)巖體的應變情況也遵循這一規(guī)律。

(3)試驗中充填體的接頂率以及充填體的密實度較高，一定程度上減少了地表的沉降。在實際生產(chǎn)中應該適當提高充填接頂率以及充填體的密實度。

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