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      紅嶺鉛鋅礦崩落法轉(zhuǎn)充填法隔離頂柱厚度研究①

      2022-11-10 06:24:00童大志王冠男
      礦冶工程 2022年5期
      關(guān)鍵詞:紅嶺頂柱九中

      童大志,王冠男,張 馳

      (1.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 赤峰 025454;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

      近年來,隨著相關(guān)環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)出臺(tái),金屬礦山崩落采礦法的弊端逐漸顯現(xiàn),地表塌陷和尾礦庫危害等問題亟待解決[1-4]。因此,采用崩落采礦法的礦山開始向安全高效的充填采礦法過渡[5],為保證礦山采礦方法的平穩(wěn)過渡,往往在崩落法與充填法的銜接處留設(shè)一定厚度的隔離礦柱[6]。

      本文在前人研究的基礎(chǔ)[7-10]上,針對(duì)紅嶺鉛鋅礦崩落法轉(zhuǎn)充填法的實(shí)際情況,基于普氏拱理論、K.B.魯佩涅伊特公式和三維厚梁簡(jiǎn)化計(jì)算法對(duì)過渡區(qū)隔離頂柱的安全厚度進(jìn)行了理論計(jì)算,確定了較為合理的頂板安全厚度范圍。在此基礎(chǔ)上,通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同頂柱厚度下的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,確定優(yōu)化的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),研究成果對(duì)其他礦山面臨的類似問題具有借鑒意義。

      1 工程概況

      紅嶺鉛鋅礦大部分采場(chǎng)采用階段空?qǐng)霰缆渎?lián)合采礦法回采礦石,一步驟回采礦房,二步驟回采間柱和頂柱,用覆巖充填處置采空區(qū)。經(jīng)過20余年的開采,紅嶺鉛鋅礦地表已形成超過12 000 m2的塌陷區(qū),隨著地下采礦轉(zhuǎn)向深部發(fā)展,塌陷區(qū)范圍繼續(xù)擴(kuò)大,已嚴(yán)重威脅到主副井和工人住宅區(qū)的安全;對(duì)于穩(wěn)固性較好的巖體,存在部分采空區(qū)未被覆巖覆蓋的情況,導(dǎo)致一些隱伏采空區(qū)的存在。階段嗣后膠結(jié)充填采礦法可在一定程度處置采空區(qū),阻止地表繼續(xù)沉降,控制塌陷區(qū)范圍,并且不存在采空區(qū)頂板突然垮冒的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合紅嶺鉛鋅礦開采條件,為避免塌陷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展,擬在九中以下采場(chǎng)全面采用階段嗣后充填采礦方法,在九中采場(chǎng)上方留設(shè)頂柱以隔絕上覆巖層。

      2 隔離頂柱安全厚度計(jì)算

      根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn),在上覆荷載不變的情況下,頂柱巖體強(qiáng)度好,頂柱留設(shè)的厚度就小,頂柱巖體強(qiáng)度差,頂柱留設(shè)的厚度就須加大,但厚度增加的同時(shí),頂柱自重也變大,作用在頂柱支撐結(jié)構(gòu)上的力就變大,若支撐結(jié)構(gòu)不抗壓、出現(xiàn)破壞,就會(huì)影響到頂柱的穩(wěn)定性,所以頂柱的厚度不是越厚越好,影響隔離頂柱穩(wěn)定性的因素是綜合的、復(fù)雜的、多方面的。

      2.1 普氏壓力拱理論

      常采用散體地壓理論中具有代表性的普氏壓力拱理論來計(jì)算隔離頂柱的安全厚度。隧洞開挖后,頂板巖體失穩(wěn),發(fā)生塌落,并形成自然拱,拱以內(nèi)的巖體自重為作用在隧洞支護(hù)上的壓力,因此自然拱又稱為壓力拱。假定壓力拱形狀為二次拋物線形,壓力拱高計(jì)算公式為[11]:

      式中h1為壓力拱高,m;a1為一半壓力拱寬度,m;f為普氏系數(shù);a為一半隧洞寬度,m;h為隧洞高度,m;φ為頂柱巖石內(nèi)摩擦角,(°)。

      以紅嶺鉛鋅礦九中采場(chǎng)為例,a取16 m,h取39 m,φ取33°,f取12,代入式(1),計(jì)算得壓力拱高h(yuǎn)1=3.1 m。根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn),確定最小安全厚度為壓力拱拱高的3倍,計(jì)算出隔離層最小厚度為9.3 m。

      2.2 K.B.魯佩涅伊特公式

      K.B.魯佩涅伊特公式最早被用來計(jì)算露天轉(zhuǎn)地下開采隔離礦柱的厚度,后逐步被人們用來計(jì)算非露天轉(zhuǎn)地下采空區(qū)頂板的安全厚度,K.B.魯佩涅伊特公式為[12]:

      式中H為隔離頂柱厚度,m;K為安全系數(shù);γ為隔離頂柱巖石容重,t/m3;B為采空區(qū)跨度,m;σB為頂柱強(qiáng)度極限,MPa;g為電鏟等設(shè)備對(duì)頂柱的壓力,MPa。

      繼續(xù)以紅嶺鉛鋅礦九中采場(chǎng)為例,K取5,γ取32.34 N/m3,B取32 m,σB取50 MPa,g取40 MPa,代入式(2),計(jì)算得隔離頂柱厚度H=10.1 m。

      2.3 三維厚梁簡(jiǎn)化計(jì)算法

      三維厚梁簡(jiǎn)化計(jì)算法(又稱結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論),最早被用來計(jì)算露天轉(zhuǎn)地下開采境界隔離礦柱的厚度,該方法將隔離頂柱理解為兩端固定的復(fù)雜三維厚梁,并參考前蘇聯(lián)學(xué)者K.B.魯佩涅伊特和利別爾馬恩提出的解算方法,將復(fù)雜的三維厚梁(隔離頂柱)簡(jiǎn)化為理想彈性理論的平面問題來計(jì)算隔離頂柱的安全厚度[13]:

      式中h為隔離頂柱厚度,m;ln為隔離頂柱跨度,m;γ為隔離頂柱巖石容重,kN/m3;b為隔離頂柱寬度,m;q為隔離頂柱上覆荷載,kPa;σ許為隔離頂柱巖石允許拉應(yīng)力,kPa。

      對(duì)紅嶺鉛鋅礦九中采場(chǎng)頂板厚度進(jìn)行計(jì)算,ln取32 m,γ取32.34 kN/m3,q取8 MPa,b取30 m,σ許取0.6 MPa,代入式(3),計(jì)算得隔離頂柱厚度h=9.4 m。

      3 有限元數(shù)值模型構(gòu)建

      3.1 計(jì)算模型的建立

      根據(jù)紅嶺鉛鋅礦的深部開采設(shè)計(jì),確定礦房寬度為32 m,頂柱留設(shè)厚度分別設(shè)置為8 m、9 m、10 m和11 m,對(duì)九中采場(chǎng)705 m水平至666 m水平一礦房的開挖進(jìn)行模擬。模型包括礦體(分為礦房、隔離頂柱和其他部分)、圍巖以及上覆巖層3個(gè)部分,其中礦體模型根據(jù)705 m水平和666 m水平的中段平面圖建立,如圖1所示。模型邊界條件采用位移約束,模型側(cè)面約束水平方向位移,底部所有節(jié)點(diǎn)約束X、Y、Z方向位移,設(shè)置重力加速度大小為9.8 m/s2,方向豎直向下。

      圖1 計(jì)算模型

      3.2 力學(xué)參數(shù)

      對(duì)紅嶺鉛鋅礦礦巖進(jìn)行取樣測(cè)試,采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則作為數(shù)值模擬的破壞準(zhǔn)則,利用FLAC3D軟件設(shè)計(jì)單軸壓縮試驗(yàn),通過參數(shù)調(diào)整法得到較為合理的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

      表1 礦巖基本力學(xué)參數(shù)

      4 計(jì)算結(jié)果分析

      4.1 采空區(qū)頂板最大主應(yīng)力分析

      地下采空區(qū)形成后,在上覆巖層以及頂板的自重作用下,頂板易形成拉伸破壞導(dǎo)致采空區(qū)失穩(wěn),圖2給出了不同頂柱厚度下采空區(qū)剖面最大主應(yīng)力分布云圖。由圖2可知,開挖導(dǎo)致周圍巖體出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)頂板處,不同頂柱厚度下采空區(qū)隔離頂柱的應(yīng)力分布情況基本相同,最大主應(yīng)力隨頂柱厚度增大變化較小,但頂板均處于受拉狀態(tài),存在失穩(wěn)危險(xiǎn),因此應(yīng)控制頂板拉應(yīng)力處于較小狀態(tài)直到采空區(qū)充填。

      圖2 不同頂柱厚度下采空區(qū)頂板最大主應(yīng)力分布云圖

      4.2 采空區(qū)頂板位移分析

      4種頂柱厚度下的采空區(qū)剖面垂直位移分布云圖如圖3所示。為直觀地分析隔離頂柱的位移分布規(guī)律,在采空區(qū)頂板上沿礦體走向方向等間距布置了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),圖4為采空區(qū)形成后的頂板垂直位移曲線。由圖3和圖4可知,采空區(qū)形成后,頂柱產(chǎn)生豎直向下的位移,且位移最大值出現(xiàn)在采場(chǎng)中部。頂板厚度8 m和9 m時(shí),采空區(qū)頂板最大位移分別為14.67 mm和14.22 mm;當(dāng)頂板厚度增加到10 m時(shí),頂板最大位移減小至12.36 mm;繼續(xù)增大頂板厚度至11 m時(shí),頂板位移增加到13.45 mm。表明當(dāng)頂板厚度增加至11 m后,頂板的自重作用開始影響頂板穩(wěn)定性,導(dǎo)致頂板位移增大。

      圖3 不同頂柱厚度下采空區(qū)頂板垂直位移分布云圖

      圖4 不同頂柱厚度下采空區(qū)頂板垂直位移曲線

      4.3 采空區(qū)塑性區(qū)分析

      圖5為不同頂柱厚度下采空區(qū)剖面塑性區(qū)分布云圖。由圖5可知,采空區(qū)開挖后四周均出現(xiàn)不同程度的塑性區(qū),兩幫圍巖發(fā)生剪切破壞,頂柱曾進(jìn)入屈服階段,但沒有破壞。

      圖5 不同頂柱厚度下采空區(qū)塑性區(qū)分布云圖

      圖6為不同頂柱厚度下采空區(qū)開挖后塑性區(qū)狀態(tài)體積統(tǒng)計(jì)圖。由圖6可知,3種狀態(tài)的塑性區(qū)體積隨頂柱厚度增加的變化趨勢(shì)相同。頂柱厚度為8 m和9 m時(shí),3種狀態(tài)的塑性區(qū)體積較大;頂柱厚度增大到10 m時(shí),塑性區(qū)體積減?。豁斨穸仍龃蟮?1 m時(shí),塑性區(qū)體積開始增大。因此,頂柱厚度10 m時(shí)采空區(qū)較為安全,但隔離頂柱塑性區(qū)表現(xiàn)為shear-p狀態(tài),仍有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),兩幫部分位置塑性區(qū)為shear-n狀態(tài),已經(jīng)發(fā)生剪切破壞。

      圖6 不同頂柱厚度下塑性區(qū)體積變化規(guī)律

      5 結(jié) 論

      通過理論計(jì)算得到可以保證采空區(qū)穩(wěn)定性的隔離頂柱厚度,并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)不同頂柱厚度下的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論:

      1)通過普氏壓力拱理論、K.B.魯佩涅伊特公式以及三維厚梁簡(jiǎn)化計(jì)算法對(duì)紅嶺鉛鋅礦九中采場(chǎng)采空區(qū)隔離頂柱厚度進(jìn)行計(jì)算,得到的隔離頂柱厚度分別為9.3 m、10.1 m和9.4 m。

      2)利用FLAC3D軟件,對(duì)礦房跨度32 m,隔離頂柱厚度分別為8 m、9 m、10 m和11 m進(jìn)行了數(shù)值模擬。4種不同頂柱厚度下隔離頂柱均有豎直向下的位移、拉應(yīng)力和塑性區(qū)產(chǎn)生,位移的分布規(guī)律均呈現(xiàn)由兩側(cè)向中部逐漸增大的規(guī)律,拉應(yīng)力則較為平均地分布在采空區(qū)頂柱上,兩幫圍巖發(fā)生剪切破壞,頂柱曾進(jìn)入屈服階段,但沒有破壞。

      3)頂柱留設(shè)厚度為8 m和9 m時(shí)頂柱垂直位移和拉應(yīng)力較大,且頂柱大部分區(qū)域處于tension-p狀態(tài),兩幫剪切破壞體積大,具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。頂柱厚度11 m時(shí),由于頂柱的自重作用,其垂直位移、拉應(yīng)力和塑性區(qū)破壞情況均不如頂柱厚度10 m時(shí)穩(wěn)定,因此紅嶺鉛鋅礦九中采場(chǎng)隔離頂柱須留設(shè)的安全厚度為10 m。

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