晉寧磷礦地下開采相似模擬試驗研究

董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發利用工程技術研究中心, 云南昆明 650600)

晉寧磷礦地下開采相似模擬試驗研究

董紹斌,李耀基

(國家磷資源開發利用工程技術研究中心, 云南昆明 650600)

以晉寧磷礦6號坑為研究對象,采用相似模擬試驗方法,對緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉地下充填法開采后的采場變形規律、破壞方式和邊坡穩定性進行了分析研究,結果表明:在地下開采過程中,采空區上方邊坡的穩定性會隨著開采的推進而逐漸降低,當開采至邊坡坡腳附近時,邊坡的位移和應力變化比較劇烈,邊坡的穩定性下降也相對較大。因此,在地下開采過程中,加強采空區上方邊坡的監測對于邊坡的穩定和地下采場的安全具有重要意義。

相似模擬試驗;露天轉地下開采;充填采礦法;邊坡穩定性

0 引 言

緩傾斜薄至中厚礦體的地下開采,在國內外一直是一個難題。當礦床頂底板極不平整、礦巖破碎松軟時,開采難度更大。國內許多學者應用不同的方法對充填開采時邊坡及圍巖穩定性做了深入研究[1-2]。研究表表明,充填體有效改善了采空區的應力條件,降低了應力集中程度,對圍巖、頂板的支護效果十分明顯。尹光志,陳沖等[3-9]對地下開采邊坡和圍巖變化情況作了模擬試驗研究及分析,發現頂板圍巖變形從外到內表現為:外部沿層面滑動,中部沿層面向下移動,內部向采空區彎曲;從上到下表現為:上部沿層面滑動,中部沿層面向采空區彎曲,下部豎直向下滑動。李小雙,蔡彬亭等[10-11]對云磷集團磷礦體做了相似材料配比試驗研究,研究表明,以砂子、石膏和碳酸鈣作為基礎骨料,以塑料、軟膠、機油、鋸末粉作為調劑材料,以自來水作為調解溶液混合制作而成的相似模型材料,可以較好地模擬磷礦體。王云飛,江君等[12-15]針對地下開采對邊坡穩定性的影響做了研究和分析,指出圍巖破壞程度隨著開采深度的增加遞增,塑性區范圍不斷擴大,剪切破壞主要集中在兩側邊坡的坡腳部位。

本文針對晉寧磷礦緩傾斜薄至中厚礦體,以6號坑(122－138＃)勘探線為研究對象,采用相似模擬試驗方法,對緩傾斜薄至中厚磷礦體采用露天轉地下充填采礦法開采后的采場變形規律、破壞方式和邊坡穩定性進行了分析研究。通過試驗研究,分析了采場頂底板應力和采空區上方邊坡位移變化情況,為工程建設提供了設計依據。

1 試驗設計

1.1 相似模擬試驗模型

(1)試驗對象區域選擇。選取晉寧磷礦134號勘探線中重點研究的640m×400m區域作為本次試驗的原型(見圖1)。

圖1 晉寧磷礦6號坑134號剖面簡圖

(2)模型選擇。露天轉地下開釆是一個較為復雜的力學行為,若采用三維模型系統進行研究,則不利于應力及變形的觀測且制作較復雜。采用二維模型則可以直觀的研究特定斷面的應力與變形特征,且制作較為簡單,并且地下開采在二維上是一個平面應變模型,如若采用平面應力進行測試,則會產生應力應變不具有相似性的結果,對實際開采的指導意義不大,因此,本試驗采用平面應變相似模擬試驗。

(3)相似材料選擇。依據實際地層巖體條件,巖體質量級別為Ⅳ級,巖體質量定性特征為:較堅硬,巖體破碎。根據巖體質量,試驗選擇相似材料為重晶石粉、砂、洗衣液、石膏、水。

1.2 開采方案

結合晉寧磷礦6號坑深部礦體實際的地質采礦條件,根據開采對象及礦體開采技術條件,礦層頂板部分存在風化,穩固性較低,由于地表不允許崩落,同時,前期露天開采地表存在大量剝離廢石,在不影響安全的前提下,設計采用廢石充填可以獲得比較大的經濟效益和社會效益。

設計采用上向分層開采廢石充填采礦法進行開采。首先回采底部兩個分層的礦石,分層高度4.3 m,隨后充填一個分層,形成4.3m高的底部作業空間,之后回采一個分層,充填一個分層,直至中段開采結束。根據確定的開采方案,在試驗中,由于模型試驗尺寸較小,所以進行簡化,分5步開采和5步充填(見圖2)。

圖2 試驗中的開采方案

2 試驗結果分析

整個試驗過程中的監測及數據處理主要針對應力規律、位移規律以及變形破壞特征進行分析。

2.1 位移變化特征

通過數碼照相與PIV圍巖應變場量測技術和位移傳感器地表位移量測技術,分析5步開采和充填位移變化特征為:

(1)根據圖3可知,隨著開采的進行,右側邊坡坡頂的豎向位移發生明顯變化。在開采較深的1～3步過程中,右側邊坡坡頂的位移增長緩慢,而在開采進行到靠近地表時,即開采4和開采5步,豎向位移增長較大,第5步開采完畢后位移達到1.43mm (相當于實際中的0.286m)。左側邊坡坡頂的豎向位移在開采過程中基本不變,受到開采的影響較小。坡腳位置的豎向位移,由于受到右側邊坡坡體的擠壓作用,位移方向向上,幅度較小。

圖3 左右側坡頂及坡腳豎向位移歷時曲線(向下為正)

(2)根據圖4可知,右側邊坡隨著開采的進行,位移呈逐漸增大趨勢,方向主要是朝著采空區的方向,呈現出斜下方的位移趨勢。在靠近采空區的邊坡位移較大,距離采空區較遠的邊坡位移較小;左側邊坡在開采過程中,邊坡內部位移變化較小,可認為地下開采對于左側邊坡的影響較小。

圖4 右側及左側邊坡位移

2.2 應力變化特征

通過微型土壓力傳感器和數據采集儀,記錄模型中的應力變化,分析應力變化特征:

(1)根據圖5可知,隨著開采的進行,由于采空區的形成,圍巖由三向狀態變為雙向狀態,使原始應力平衡狀態破壞,導致巖體內的應力重新分布,并趨于新的平衡。采空區上方巖體的頂板垂向應力呈現降低的趨勢,徑向應力的變化規律是先增長再降低。

(2)根據圖6,對比頂板應力的變化曲線可知,底板由于開采引起的松動范圍較頂板小,而且隨著開采工程的擴展變化也較頂板小。

圖5 采場頂板應力歷時曲線

圖6 采場底板應力歷時曲線

3 結 論

(1)根據模型試驗和數值分析的結果,受地下開采影響較大的是采空區上方的邊坡。在開采過程中,采空區上方邊坡的位移和應力均有大幅度的變化,其位移主要方向是朝著采空區。

(2)地下開采的過程中,采空區上方邊坡的穩定性會隨著開采的進行逐漸降低,當開采至邊坡坡腳附近時,邊坡的位移和應力變化比較劇烈,邊坡的穩定性下降也相對較大。因此,在地下開采過程中,加強采空區上方邊坡的監測對于邊坡的穩定和地下采場的安全具有重要意義。

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2017-05-15)

董紹斌(1986－),男,云南祥云人,主要從事磷礦高效開采技術與綜合利用研究,Email:409870499＠qq.com。