新城金礦采場(chǎng)地壓活動(dòng)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究*

劉 杰 徐曾和 趙興東 鄧文學(xué)

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

新城金礦既具有成礦規(guī)模大，工業(yè)價(jià)值高的優(yōu)點(diǎn)，也存在礦體賦存條件復(fù)雜，致使開(kāi)采難度大、損失率及貧化率高、開(kāi)采規(guī)模難以擴(kuò)大等缺點(diǎn)［1-4］，現(xiàn)階段主要開(kāi)采礦體為Ⅴ#礦體，屬具有深井開(kāi)采特征的、復(fù)雜的、有多重開(kāi)采困難和不利因素的、開(kāi)采價(jià)值中等偏高的傾斜極破碎厚礦體。根據(jù)礦體賦存狀態(tài)及開(kāi)采技術(shù)條件，礦山主要采用機(jī)械化盤區(qū)上向分層充填法開(kāi)采。隨著采場(chǎng)的分步回采，充填體及時(shí)充填空區(qū)，采場(chǎng)的幾何形狀和介質(zhì)不斷發(fā)生變化，致使采場(chǎng)周圍應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)也不斷變化，且隨著采礦作業(yè)不斷向深部發(fā)展，采場(chǎng)圍巖坍塌、冒頂?shù)葹?zāi)害將會(huì)明顯增強(qiáng)，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性控制及支護(hù)技術(shù)是保證充填連續(xù)安全開(kāi)采的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，研究分層回采采場(chǎng)地壓活動(dòng)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)，對(duì)于指導(dǎo)采場(chǎng)安全回采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［5-7］。

FLAC3D為有限差分?jǐn)?shù)值軟件，能很好地解決幾何非線性、大變形問(wèn)題，為礦山采場(chǎng)開(kāi)挖及支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一個(gè)有力工具［8-10］。本研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬回采過(guò)程中圍巖中的應(yīng)力、位移的分布規(guī)律，并對(duì)采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行效果分析，從而實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)計(jì)的優(yōu)化，為保證開(kāi)采安全提供依據(jù)。

1 工程概況

所研究區(qū)域?yàn)樾鲁墙鸬V主要生產(chǎn)中段－630 m中段，礦區(qū)勘探線172～186之間的礦體，如圖1所示。所研究采場(chǎng)選取1個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)長(zhǎng)度為30 m，盤區(qū)沿礦體走向布置，礦房垂直礦體走向布置，每個(gè)盤區(qū)由2個(gè)一步采場(chǎng)與2個(gè)二步采場(chǎng)構(gòu)成，即4個(gè)采場(chǎng)組成。一步采場(chǎng)寬7 m，二步采場(chǎng)寬8 m，采場(chǎng)底柱回采高度5 m，其余分層高度為3.3～3.4 m，其采礦方法見(jiàn)圖2。

圖1 研究區(qū)域

圖2 機(jī)械化盤區(qū)上向分層充填法

2 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型

2.1 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)新城金礦地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，經(jīng)強(qiáng)度折減后選定模擬計(jì)算采用的巖體及充填體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型及方案

計(jì)算模型幾何范圍:沿礦體走向150 m，垂直礦體走向380 m，豎直方向－680～－580 m中段，高度為150 m。模擬區(qū)域礦體傾角平均30°，礦體厚度取80 m。模型尺寸為380 m×150 m×150 m，如圖3所示，計(jì)算域邊界采用位移約束，上部平面承受21.02 MPa的面載荷。選擇莫爾－庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，材料屬性按表1進(jìn)行賦值，計(jì)算考慮原巖構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)［3］。

圖3 計(jì)算模型

模擬一步采場(chǎng)、二步采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中，盤區(qū)圍巖及充填體的應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。模型假定一二步采場(chǎng)共開(kāi)采13個(gè)分層，第1分層高度為5 m，其余分層高度為3.4 m，留4.2 m的頂柱高度。針對(duì)采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行安全穩(wěn)定性數(shù)值分析。

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)回采過(guò)程的模擬，選取回采初期(第1分層)、中期(第7分層)、后期(第13分層)3個(gè)時(shí)期的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行位移與應(yīng)力的詳細(xì)分析。

3.1 一步采場(chǎng)回采過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1.1 一步采場(chǎng)位移分析

一步采場(chǎng)回采過(guò)程中，其3個(gè)不同時(shí)期的位移分布狀態(tài)如表2所示。

表2 一步采場(chǎng)位移分布狀態(tài)

一步采場(chǎng)整個(gè)回采過(guò)程中，兩幫位移量由于充填體作用其變化幅度不大，頂板最大垂直位移的變化趨勢(shì)如圖4所示，采場(chǎng)頂板在回采至10分層后，受上中段充填體影響，頂板下沉量加劇增加。

圖4 一步采場(chǎng)回采時(shí)期頂板沉降量

總體分析來(lái)看，一步采場(chǎng)采空后，采場(chǎng)周圍介質(zhì)向空區(qū)位移變形，形成以采場(chǎng)為中心的變形松動(dòng)圈，且隨著回采分層的增加，變形松動(dòng)圈越大，充填后，充填體和周圍介質(zhì)壓實(shí)、固結(jié)，起到阻止位移、控制變形的作用。

3.1.2 一步采場(chǎng)應(yīng)力分析

一步采場(chǎng)回采過(guò)程中，其采場(chǎng)頂板的應(yīng)力隨開(kāi)挖分層的變化如圖5所示，當(dāng)回采至10分層時(shí)，由于上中段充填體的影響，采場(chǎng)垂直應(yīng)力由降低變?yōu)樯撸瑧?yīng)加強(qiáng)頂板管理。2#二步采場(chǎng)垂直應(yīng)力變化如圖6所示，由圖可知，回采至第7分層后，即回采至一分層中期時(shí)，其二步采場(chǎng)垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，由此可建議改變傳統(tǒng)隔一采一的回采方式，當(dāng)一步采場(chǎng)回采至中期時(shí)，可進(jìn)行二步采場(chǎng)回采，即一步采場(chǎng)超前二步采場(chǎng)6個(gè)分層。

總體分析來(lái)看，一步采場(chǎng)回采過(guò)程中，二步采場(chǎng)應(yīng)力較高，起間柱承載作用，隨著回采的進(jìn)行其應(yīng)力值不斷降低最后趨于平衡。充填體應(yīng)力水平較圍巖低，起應(yīng)力隔離作用。一步采場(chǎng)回采過(guò)程中，采場(chǎng)整體穩(wěn)定性較好，受采充擾動(dòng)影響相對(duì)較小，應(yīng)注意加強(qiáng)回采時(shí)頂板應(yīng)力集中部位的監(jiān)測(cè)與控制。

圖5 1#一步采場(chǎng)頂板應(yīng)力

圖6 2#二步采場(chǎng)應(yīng)力

3.2 二步采場(chǎng)回采過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 二步采場(chǎng)位移分析

二步采場(chǎng)回采過(guò)程中，其3個(gè)不同時(shí)期的位移分布狀態(tài)如表3所示。

表3 二步采場(chǎng)位移分布狀態(tài)

總體分析來(lái)看，二步采場(chǎng)回采時(shí)期，其位移變化規(guī)律與一步采場(chǎng)相似，頂板最大垂直位移明顯增大，如圖7所示。由于2#二步采場(chǎng)兩幫為充填體，其開(kāi)采難度增大，頂板下沉量較大，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，應(yīng)加強(qiáng)頂板管理。

圖7 二步采場(chǎng)回采時(shí)期頂板沉降量

3.2.2 二步采場(chǎng)應(yīng)力分析

二步采場(chǎng)回采過(guò)程中，應(yīng)力變化與一步采場(chǎng)規(guī)律類似，垂直應(yīng)力在采場(chǎng)頂?shù)装逍纬奢^大的弧形卸壓區(qū)，在采場(chǎng)兩幫形成應(yīng)力集中，在下盤位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，回采中期，盤區(qū)兩幫圍巖出現(xiàn)弧形應(yīng)力聚集區(qū)，較一步采場(chǎng)回采時(shí)期大，而充填體應(yīng)力隨著回采的進(jìn)行其應(yīng)力值不斷增大，局部出現(xiàn)受拉現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力為0.34 MPa。因此，充填體強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以保證采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性;最大主應(yīng)力主要集中在下盤位置及采場(chǎng)邊角處，區(qū)域隨回采逐漸增大。

4 采場(chǎng)頂板支護(hù)設(shè)計(jì)與效果分析

在中段高度為50 m，礦塊跨度、礦體厚度、空區(qū)暴露面積均較大，頂板穩(wěn)固性不夠，采場(chǎng)主要靠管縫式錨桿進(jìn)行支護(hù)，采場(chǎng)頂板冒落嚴(yán)重的情況下，無(wú)法保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行，使一些直接在采場(chǎng)頂板下的回采工作存在嚴(yán)重的安全隱患。通過(guò)對(duì)以上現(xiàn)場(chǎng)存在問(wèn)題的分析和樹(shù)脂錨桿與長(zhǎng)錨索支護(hù)機(jī)理進(jìn)行研究，確定采場(chǎng)支護(hù)采用長(zhǎng)錨索與樹(shù)脂錨桿聯(lián)合支護(hù)。

4.1 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

采用以巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)和整體系統(tǒng)支護(hù)時(shí)錨桿參數(shù)確定的工程類比方法進(jìn)行錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)。

樹(shù)脂錨桿長(zhǎng)度為2 m，錨桿支護(hù)材料，統(tǒng)一使用25MnSi螺紋鋼錨桿，錨桿直徑均為20 mm，錨桿孔徑與錨桿桿體錨固段直徑之差宜保持在4～6 mm，螺紋必須采用滾絲。錨桿托盤為采用8 mm厚鐵板制作，托盤規(guī)格為100 mm×100 mm×8 mm。一步采場(chǎng)選取錨桿網(wǎng)度為2 m×2 m，二步采場(chǎng)選取錨桿網(wǎng)度為1.5 m×1.5 m。

錨索采用高強(qiáng)度、低松弛無(wú)黏結(jié)鋼絞線，公稱直徑15.24 mm，強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa，最小破斷力260.7 kN，屈服力252 kN，延伸率≥3.5%，松弛率≤3.5%，鋼絞線的基本材料應(yīng)是碳素鋼，采用水泥漿液，水灰比為1∶2～1∶2.5，水泥為425#普通硅酸鹽水泥，采用封孔注漿的方式注漿。在鉆孔設(shè)備安裝方便條件下，盡可能加長(zhǎng)鉆孔長(zhǎng)度，采用YGZ－90中深孔鉆機(jī)，孔長(zhǎng)為10～15 m;中段高度為50 m，布置4層，可確定每層錨索長(zhǎng)度為15 m，預(yù)留3.4～3.5 m長(zhǎng)的一段錨索為下一層錨索安裝起到支護(hù)作用。一步采場(chǎng)選取錨索網(wǎng)度為2 m×2 m，二步采場(chǎng)選取錨索網(wǎng)度為1.5 m×1.5 m。

4.2 模擬效果分析

采用FLAC3D分析一二步采場(chǎng)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)效果，對(duì)比支護(hù)前后頂板的位移情況。由3.2.1節(jié)分析可知，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，因此選取開(kāi)采第9分層時(shí)進(jìn)行一二步采場(chǎng)效果分析。支護(hù)前后相關(guān)計(jì)算結(jié)果顯示，一二步采場(chǎng)無(wú)支護(hù)情況下，頂板最大垂直位移分別為為23.9 mm和72.1 mm，采用錨桿索支護(hù)后，頂板最大位移分別為4.2 mm和5.4 mm。

5 結(jié)論

(1)一步采場(chǎng)采空后，采場(chǎng)周圍介質(zhì)向空區(qū)位移變形，形成以采場(chǎng)為中心的變形松動(dòng)圈，且隨著回采分層的增加，變形松動(dòng)圈越大，充填后，充填體和周圍介質(zhì)壓實(shí)、固結(jié)，起到阻止位移、控制變形的作用。

(2)一步采場(chǎng)回采至10分層后，頂板下沉量加劇增加，采場(chǎng)垂直應(yīng)力由降低變?yōu)樯撸_(kāi)采難度增大;一步采場(chǎng)回采至第7分層后，其二步采場(chǎng)垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，由此可建議改變傳統(tǒng)隔一采一的回采方式，當(dāng)一步采場(chǎng)回采至中期時(shí)，可進(jìn)行二步采場(chǎng)回采。

(3)二步采場(chǎng)回采時(shí)期，其位移變化規(guī)律與一步采場(chǎng)相似，頂板最大垂直位移明顯增大，回采至9分層之后，頂板下沉量急劇增加，應(yīng)加強(qiáng)頂板管理;二步采場(chǎng)回采過(guò)程中，充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度足以保證采場(chǎng)穩(wěn)定性。

(4)根據(jù)新城金礦頂板支護(hù)存在問(wèn)題，確定支護(hù)方式采用長(zhǎng)錨索與樹(shù)脂錨桿聯(lián)合支護(hù)方式，利用工程類比法進(jìn)行了采場(chǎng)頂板錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了錨桿索支護(hù)效果分析，結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案能較好地保證采場(chǎng)的頂板穩(wěn)定性。

［1］ 蔡美峰.金屬礦山采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化與地壓控制［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［2］ 喬 蘭，蔡美峰.新城金礦深部節(jié)理裂隙調(diào)查及巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2000(4):70-74.

［3］ 喬 蘭.新城金礦深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開(kāi)采順序優(yōu)化研究［J］.金屬礦山，2001(6):11-15.

［4］ 崔棟梁，李夕兵，趙國(guó)彥.新城金礦難采礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬分析［J］.江西有色金屬，2006(3):13-17.

［5］ 李愛(ài)兵，周先明.安慶銅礦高階段回采充填體－礦體－巖體穩(wěn)定性的有限元分析［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2000(1):19-21.

［6］ 朱維申，李曉靜，郭彥雙，等.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(10):1689-1693.

［7］ 王新民，盧央澤，張欽禮.煤矸石似膏體膠結(jié)充填采場(chǎng)數(shù)值模擬優(yōu)化研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(2):346-350.

［8］ Jing L.A review of techniques，advances and outstanding issues in numerical modelling for rock mechanics and rock engineering［J］.International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2003，40:283-353.

［9］ 吳洪詞，胡 興，包 太.采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的FLAC算法分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2002(4):96-98.

［10］ 孫國(guó)權(quán)，李 娟，胡杏保.基于FLAC3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2007(2):29-32.