基于力學模型計算徐樓鐵礦帷幕注漿厚度

張賀庭

(淮北徐樓礦業有限公司)

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基于力學模型計算徐樓鐵礦帷幕注漿厚度

張賀庭

(淮北徐樓礦業有限公司)

摘要近礦帷幕注漿采場頂板形成的防滲帷幕體，既具有防滲阻水的作用，又具有承受上部荷載的作用，因此帷幕體的厚度顯得尤為重要。以徐樓鐵礦帷幕注漿為例，結合斷裂力學的Westergaard應力函數及薄板彎曲變形結構的力學特征，建立了近礦頂板注漿帷幕厚度的力學模型，基于該模型計算了徐樓鐵礦頂板帷幕注漿的厚度。該力學模型為頂板注漿帷幕厚度分析提供了一條新的途徑。

關鍵詞近礦帷幕注漿采場頂板力學模型

徐樓礦區位于淮北市濉溪縣境內，礦區為沖積平原，地勢平坦，地表海拔約30 m。徐樓礦區石樓礦床一礦帶位于閃長巖與大理巖連接帶或其附近的大理巖內。礦體埋藏于侵蝕基準面及地下水位之下，礦床以充水巖層、孔隙巖層為主。礦體頂底板基本為大理巖，而大理巖便為巖溶裂隙含水層，該含水層埋藏于地表以下42～120 m處，厚40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。在石樓一礦帶開采過程中，若第四系砂層孔隙水不進入礦坑，該礦坑涌水主要為巖溶裂隙水，流向集水坑道的地下水呈平面流形式。在不采取任何治水措施的前提下，晝夜涌水量超過30 000 m3；若顧及四系砂層水，則晝夜涌水量超過100 000 m3。因此，要實現成功開采，須有效治水，通過方案論證選擇近礦帷幕注漿方案。本研究結合前人相關研究成果，通過構建力學模型計算該礦帷幕注漿厚度。

1　近礦體帷幕厚度力學模型構建

1.1帷幕厚度模型

根據礦體頂板注漿帷幕的作用機理，注漿帷幕厚度可分為：①無效厚度(h1)，靠近采空區，在采礦爆破作業、采空區四周應力重分布引起應力集中的情況下，注漿帷幕體在該范圍內形成的裂隙帶，無法發揮有效的隔水作用；②有效厚度(h2)，相對遠離采空區，受采礦作業的影響較小，為完整的隔水體，為防滲阻水和維持采場頂板穩定的主體(圖1)。

1.2無效厚度假設條件及計算

假設條件：①采空區破壞后形成大裂紋，裂紋四周即為近礦帷幕體；②將注漿堵水帷幕體分為有效和無效兩部分；③破壞準則為摩爾-庫侖準則；④采場邊界條件滿足采場上下表面無應力、采場左右邊緣存在應力集中、遠離采空區應力集中消失等條件。基于上述假設，帷幕邊緣的應力以Westergaard應力函數[1-3]為基礎，可推導出帷幕無效厚度(h1)的計算公式

圖1　徐樓鐵礦近礦帷幕厚度概化模型

(1)

式中，γ為注漿帷幕上覆巖體的平均容重，kN/m3；H為采場的最大埋深；Lx為采場暴露長度m；θ為破壞點與水平方向的夾角，采場頂板夾角為90°；Rc為帷幕注漿體抗壓強度，MPa。

1.3有效厚度假設條件及計算

有效厚度假設條件：①符合彈塑性力學，其變形近似薄板的彎曲變形；②滿足H·Treasca屈服準則[1-3]。依據彈性力學薄板理論，以板中的撓曲函數為基礎，可推導出帷幕有效厚度(h2)的計算公式

(2)

式中，Lx、Ly為采場暴露尺寸(長、寬)，m;P為靜水水壓，MPa；GH為垂向應力，MPa；v為注漿帷幕體的泊松比；τ為注漿帷幕隔水體的平均抗剪強度，MPa。

2　近礦帷幕厚度計算

2.1注漿帷幕范圍

帷幕分布于-26～-125 m水平，垂直高度為100 m；帷幕長度從-100 m水平東部探礦巷西端至-45 m水平6-2#回風穿脈，長約360 m。該堵水工程是在井下硐室和巷道施工鉆孔并進行注漿，在礦體頂板附近形成隔水帷幕，封堵礦體外圍地下水。

2.2帷幕厚度力學計算參數選取

徐樓鐵礦一礦帶盤區小礦房開采采用分段空場法，一次性暴露面積長(Lx)38 m，寬(Ly)10 m，礦體產于大理巖與閃長巖的接觸帶，大理巖為礦體的直接頂板，為礦區一含水層，水頭高于地表0.6～0.8 m，為承壓巖溶裂隙水。礦區地面標高約30 m，回風巷最低標高-58 m，作用于頂板的靜水壓水頭為88.8 m，按90 m計算，靜水壓取0.9 MPa；注漿帷幕上覆巖體的平均容重27 kN/m3；注漿帷幕體主要位于大理巖體中，大理巖的飽和抗壓強度為44.17 MPa，按60%折減，取允許抗壓強度2 650 kN/m2；注漿帷幕體的泊松比取0.31；注漿帷幕體的抗剪強度取大理巖允許抗壓強度的1/10，允許抗剪強度取265 kN/m2；采場最大埋深取88 m。

2.3注漿帷幕體厚度計算

將上述參數代入式(1)、(2)，計算得出注漿帷幕的無效厚度(h1)為5.4 m，有效厚度(h2)為15.6 m，帷幕注漿的總厚度(h)為21 m。

3　結　語

以徐樓鐵礦為例，構建了近礦頂板注漿帷幕厚度力學模型，基于該模型計算得出的徐樓鐵礦石樓礦床注漿帷幕的厚度為21 m，考慮一定的安全系數，注漿帷幕設計實施厚度為25 m。近年來的開采實踐表明，井下涌水量在實施帷幕注漿后減少了85%，成效顯著，對于類似礦山有一定的參考價值。

參考文獻

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[3]韓偉偉，李術才，張慶松，等.礦山帷幕薄弱區綜合分析方法研究[J].巖石力學工程學報，2013，32(3)：512-519．

(收稿日期2016-05-31)

張賀庭(1985—)，男，助理工程師，235100 安徽省淮北市濉溪縣百善鎮。