金川礦山兩體巖石力學問題初探

李德賢,彭府華

(1.金川鎳鈷研究設計院礦山分院, 甘肅金昌市 737100;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

金川礦山兩體巖石力學問題初探

李德賢1,彭府華2

(1.金川鎳鈷研究設計院礦山分院, 甘肅金昌市 737100;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

金川二礦區深部采場面積將達到 10萬 m2,埋深將接近 1000 m,深部采場圍巖及充填體的穩定性成為當前的核心問題。針對由充填法開采引起的地表移動、變形和破壞等問題,分析了大量充填體形成的“人工巖體”、“空殼體”與天然地質體之間的性質差異及其相互作用機理,借鑒兩體力學試驗分析結果,提出了金川礦山深部開采面臨的兩體巖石力學問題。

金川礦山;充填體;地質體;兩體力學模型;巖體移動

0 引 言

于潤滄院士認為,在世界范圍內,金川二礦區(主要指 1#主礦體)的開采難度是非常大的。從二礦區礦體的特點和當時滿足國家對鎳的需求來看,采用機械化下向膠結充填法開采是最佳選擇。但是對礦體平均厚度近百米、水平面積達 10萬 m2的礦體全面采用下向充填法,在世界上還沒有先例。

目前,金川二礦區采用下向分層膠結充填采礦法開采,開采后充填體面積已由 5萬m2擴大到近 10萬 m2,懸頂充填體約 1000萬 m3。1998年地表發現張裂縫,采空區沉降,出現巖移,且隨著開采規模和生產能力的擴大,采場巖移日趨加劇,目前二礦區地表已發現的地裂縫明顯者共 40余條,形成一個巨大的沉降盆地,從 2001年 5月到 2006年的 12月,在地表利用 GPS測得的最大沉降中心的沉降速度為每半年 83 mm,累計最大下沉量達 883 m,致使 14行風井于 2005年 3月發生劇烈垮冒。

一般認為采用充填采礦法開采的礦山巖移問題不嚴重,甚至不會產生巖移問題。然而金川實踐表明:即使是采用充填強度較高的膠結充填法開采也已引起地表較大范圍的巖體發生移動、變形和破壞。隨著地下開挖的深度和規模不斷擴大,充填體的大量存在,勢必導致大范圍的巖體移動、變形和破壞問題,對礦區的整體穩定性及豎井安全形成威脅。

1 兩體巖石力學問題的提出

1.1 充填體與地質體問題

經過數十年的開采,金川二礦區已經形成巨大的地下充填體系統,如圖1所示。

圖1 金川二礦區開采典型剖面

充填體實際上是一種大體積“人工巖體”,是大尺度的人工構筑的地下受力結構,一方面承擔采空區上下盤和頂板傳遞來的地應力作用,同時還要擔負其自重力的作用。而俗稱的巖體是“地質體”,有著地質構造特征,其工程性質受到地質構造、地質力和自身性質的影響。為了敘述方便,在隨后的說明中將人工充填體稱為“人工巖體”,只有在需要區分的時候使用“人工巖體”或“充填體”的稱謂。

金川礦山大量充填體的存在改變了采場圍巖自身的應力大小和狀態,勢必影響圍巖的自穩、變形和破壞。在一個大范圍的地質體中有無這種充填體,其一系列變形破壞規律將有著巨大的差異。同時,在下向開采的過程中,如果開采暴露的充填體面積過大,則這種充填體就成為典型的垂懸梁板結構,將是更加復雜的一種力學機制。

1.2 “空殼體”與地質體問題

自金川二礦區投產以來,采出的礦石量大于 2億 t,掘進巷道、硐室等約 10萬 m,形成的采空區約850萬 m3。雖然對絕大部分采空區進行了充填,但仍有許多廢棄巷道、硐室以及部分冒頂采場未能充填。據統計,這些未充填的采空區體積約為 17萬m3,占總采空區的 2%。充填過程中各層充填體之間的不接頂現象導致的空區也不容忽視,約占整個采空區的 3%左右,即整個開挖空間至少有 5%是最終沒有充填的空置區,空置區體積約為 43萬 m3,因此在礦區形成了巨大的“空殼體”。

另一方面,目前二礦區進入了深部開采,地壓較大,再加上巖體節理裂隙發育,大量采空區的存在給空區周圍巖體的移動和變形破壞提供了空間,再者“空殼體”的存在,改變了充填體與圍巖接觸面的力學機制,影響了充填體和圍巖體應力狀態和應力路徑,同時吸收了圍巖部分應變能,致使在礦山穩定性分析中不確定因素增加,造成分析結果失真。

1.3 兩體巖石力學問題核心

充填體、“空殼體”和地質體三者在受力、變形及自身性質中的巨大差別,勢必導致其在破壞和變形方面的不一致性和不協調性。同時,這三者之間存在耦合作用的力學和變形機理。其相互作用的關鍵在于三者之間的接觸面或接觸部位的力學行為(這其中先不考慮充填體內部分層離析形成滑動和“空殼體”的情況)。金川礦山屬于高應力礦山,那么充填體、“空殼體”和地質體三者在高應力情況下的相互作用機理就成為金川礦山巖移規律分析的難點,特別是動態相互作用主要依靠接觸面傳遞應力和位移,是巖移分析和治理的關鍵。

假設充填體和圍巖體接觸面接觸良好,兩種材料相互作用時,其相互作用力學也十分復雜。而目前金川礦山分析礦山穩定性時,仍然是把充填體和地質體視為一體進行計算分析,材料參數按照實際取不同值。這種分析方法在力學上稱之為“一體兩介質”分析法,這種分析法對 2種材料之間剛度和強度相接近、完全粘結的情況是適用的。但對充填體和地質體這 2種性質差別巨大的材料進行這樣的分析,顯然不能揭示其本質,容易導致結果失真,從而在礦山穩定性分析和判別時對問題認識不清,造成嚴重的后果。充填體、“空殼體”與地質體之間的受力變形關系,或者三者耦合作用下受力變形機理這就是本文提出的金川礦山“兩體巖石力學”問題。

2 充填體和地質體力學性質差異

金川礦區巖體結構以層狀結構和碎裂結構為主,局部為塊狀結構;由于經歷了呂梁運動以來的各次地質構造運動,留下了以斷裂為主的構造形跡,大小斷裂縱橫交錯,斷層、節理十分發育。同時就巖體“結構性”而言,其地質缺陷具有高度的隱蔽性、不確定性和時空變異性。力學性質上呈各向異性,且地應力、地溫、地下水等因素對其物理力學性質影響很大;巖塊強度非常高,巖塊單軸干燥抗壓強度一般大于 50 MPa,但巖體強度低,抗剪和抗拉能力較弱,蠕變量大。

人工巖體 (充填體):主要由建筑材料人工配合而成,骨料可就地取材,如天然砂礫、爐渣、尾砂或碎磨砂、石等;力學性質上呈近似各向同性,強度受配合比影響巨大;金川礦山充填體 28 d齡期時強度為5 MPa左右。

充填體相對地質體而言,其強度低,但塑性則要比巖體大很多,這一“軟”一“硬”可以比喻為“夾心餅干”。充填體在塑性變形和破壞時可以吸收和耗費更多的能量,用以克服產生的塑性變形,因此充填體和巖體在阻抗變形上其差距巨大,不可能實現協調變形,同時“軟”的充填體對硬的巖體變形提供了變形空間,加大了礦區巖移程度。

3 充填體和地質體的相互作用機理

目前國內外對充填體與圍巖體力學作用機理進行了大量的研究,Brown.ET和 Brady.B.H.G提出了 3種作用機理:充填體對圍巖的表面支護作用、充填體對圍巖的局部支護作用及充填體的總體支護作用。北京科技大學的于學馥教授對金川二礦區的充填問題進行了研究,認為充填體作用機理主要表現在以下 3方面:一是應力轉移和吸收作用,充填體充入采空區后,開始是不受力的,隨著充填體強度的提高具備了轉移地應力和吸收應力的能力,從而形成了對圍巖體的應力轉移和吸收作用機理;二是應力隔離作用,包括隔離水平應力、隔離垂直應力;還有系統的共同作用。充填體進入采空區后,由于充填體、地應力、圍巖、開挖等共同作用,特別是開挖系統的自組織機能,抑制了圍巖的變形破壞,減緩了圍巖能量的耗散速度,使得礦山結構和圍巖破壞的發展得到了控制,防止了無阻擋的自由破壞塌落的發生。

從以上的研究成果分析可見充填體對采場圍巖直接的支護作用,主要是維護采場圍巖的自身強度和支護結構的承載能力,限制空區圍巖移動等多種方式來阻止和限制圍巖發生移動和變形,防止采場或巷道的整體失穩或局部垮落。

但從金川礦山的實際來看,由于采礦活動對圍巖的持續反復擾動,充填體作為擾動地質體中的填補物,只是降低了圍巖體發生變形的幅度,而沒有限制圍巖變形。若表層圍巖沒有破壞,巖體自身承載性能得以維持,就不會失穩。充填體就是維持巖體表層的完整,使其破壞不向縱深發展,是以施加固壓的方式維持了原巖的完整性,調動原巖自承能力支撐地壓,并非靠自身強度硬性抵抗圍巖活動。但是隨著金川礦山采礦活動向縱深發展,尤其 2000年二礦地表發現張裂縫開始,標志著開采初期原巖承載拱也已經消失,上覆巖層壓力就完全傳遞給充填體,作用于充填體上垂直壓力越來越大。充填體壓力明顯增大,導致采場充填體垮冒事故增多,破壞程度加重,巖移向縱深發展。同時充填體尺寸逐漸增大,采場圍巖及充填體自身移動變形的漸進積累到一定程度時,開始向充填空隙和“空殼體”移動,加速了圍巖移動速率。充填體及巖體在這種力的擠壓、釋放重復作用中,其必然產生新的間斷面和破裂,以適應變形需求,因此也導致了巖體位移的增大,巖體更加破碎,巖體性能降低。

4 兩體巖石力學模型探討

目前,國內外還沒有研究充填體與地質體相互作用的兩體力學分析模型,而對兩體材料相互作用的研究大部分是以斷裂力學為基礎,重點研究界面的斷裂準則、裂紋的應力場分布等。研究相互作用時接觸面力學特性的主要途徑有 2種:一是將接觸面和地質體視為一體,構成所謂的阻抗函數問題,通過理論推導和數值計算求解地質體阻抗,由此可以獲得接觸面處的力和位移的關系;二是在接觸面力學特性實驗基礎上直接建立接觸面的本構關系。阻抗函數問題的求解,一般將地質體視為彈性體,不考慮接觸面本身的力學非線性特征。因此,以上研究也不適用本文所提的兩體巖石力學研究,或僅適用于地質體和充填體處于彈性變形階段的情況。這就需要我們通過試驗和理論研究,尋找地質體和充填體相互作用下的非線性變形規律。

中國礦業大學易成教授用巖石 -砂漿兩介質圓柱體試件進行試驗,試驗結果如圖2、圖3所示,研究了砂漿與巖石二者在軸壓下的變形規律,并分析了兩體力學模型相互作用機理。

圖2 兩體兩介質縱向應變

圖3 兩體兩介質環向應變

如果并定義砂漿 (類同與充填體)為底強度介質,巖石為高強度介質,從圖中可見兩體兩介質模型曲線都有明顯轉折,均存在 1個較為明顯的承載力峰值,呈現不同發展現象,表現出不均勻非連續的特征。曲線明顯地轉折點即為低強度介質開裂時刻。出現這種現象是因為:兩種介質中至少一種存在初始缺陷,體系帶縫工作 (巖體結構面),此時隨著荷載增加,裂紋持續擴展,不存在裂縫開裂導致能量突然釋放等突變現象;體系無初始缺陷,但低強度介質的縱向裂縫出現在介質中央,將該介質一分為二。

從圖2可見,砂漿由于屬于低強度材料,出現明顯的應變軟化特征,甚至為流塑狀態,而巖石呈明顯應變硬化特征。結合圖3,可見巖石只是在峰值后破壞后與砂漿可能出現相同的變形特征。

如果在礦山穩定性分析中,把二者作為一體材料不同屬性按 Morh—Coalomb準則進行計算,是非常不妥的。應該建立基于巖體材料和充填體材料性質相適宜的復合材料模型,通過分別考慮巖體強度特征和充填體特性,再結合各向異性理論和應變硬化 -軟化理論,該模型理論至少應該滿足以下 2個基本條件:

(1)強度方面:復合材料模型為由巖體和充填體組合而成的一種宏觀復合材料,巖體和充填體各自獨立考慮強度特性,其中充填體可以遵循帶拉伸截止限的Mohr-Coulomb強度準則;而巖體應遵循非線性各向異性準則,這 2個準則的具體選用則根據工程具體情況而定。

(2)變形方面:巖體的變形遵循橫觀各向異性理論的變形條件,且巖體硬化–軟化行為采用其力學參數隨損傷或塑性參數的演化規律來實現。

[1] 易 成,張 亮,陳忠輝,等.軸向受壓兩體力學模型相互作用的試驗研究[J].巖土力學,2006,27(4):571-576.

[2] Brown.E.T,Brady.B.H.G.地下采礦巖石力學[M].馮樹仁.北京.煤炭工業出版社,1986.

[3] 馬鳳山.金川礦區巖體采動影響規律變形趨勢預測[R].金昌:中國科學院地質與地球物理研究所,2009.

[4] 劉同有,等.充填采礦技術與應用 [M].北京:冶金工業出版社,2001.

[5] 趙海軍,馬鳳山,等.充填法開采引起地表移動、變形和破壞的過程分析與機理研究[J].巖土工程學報,2008,30(5):670-676.

[6] U.Yanaguchi,J.Yanatomi.A consideration on the erect of the stability[A].Proc.the Internat.Symp.on Mining with Backfill[C].Lulea:Symp.on mining with backfill,1983.

[7] 徐嘉謨.金川礦山邊坡巖體工程地質力學[M].北京:地震出版社,1998.

[8] 魯全勝,高 謙.金川二礦區采場巷道圍巖與充填體收斂變形監測研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(增 2).

[9] 謝和平,陳忠輝,周宏偉,等.基于工程體與地質體相互作用的兩體力學模型初探[J].巖石力學與工程學報,2005,(9).

2011-06-23)

李德賢 (1982-),男,工程師,碩士,從事巖體力學和巷道支護研究工作,Email:lidexian2000@sina.com.cn。