大漢石膏礦深部開采合理間柱寬度研究與應(yīng)用

李海洲，鄭懷昌,張 璐

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院礦山工程技術(shù)研究所，山東 淄博 255049;2.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

石膏礦的開采已逐漸由淺部開采過渡到深部開采，地壓顯現(xiàn)越來越明顯，加之爆破震動的影響，常常會引起巖石損傷與失穩(wěn)[1-5]，因此適用于淺部開采的采留比參數(shù)已不適合深部開采。本文針對大漢石膏礦開采現(xiàn)狀，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件，考慮爆破動力響應(yīng)，模擬計(jì)算大漢石膏礦-580 m水平深部開采合理統(tǒng)一的采留比，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及位移監(jiān)測，對留設(shè)間柱寬度的合理性進(jìn)行深入研究。

1 礦區(qū)概況

蘭陵石膏集團(tuán)大漢礦礦區(qū)位于蘭陵縣西南蘇魯兩省交界處，東北距離蘭陵縣城約25 km，面積約2.2 km2，礦層賦存于古近紀(jì)官莊群卞橋組第二巖性含膏巖系中，礦層圍巖主要為泥巖、泥灰?guī)r及含膏泥灰?guī)r。

礦區(qū)礦層最大控制規(guī)模3800 m× 875 m，埋深75.29～589.73 m，產(chǎn)出標(biāo)高-46.49～-585.35 m；設(shè)計(jì)開采標(biāo)高-253.81～-585.35 m，礦層厚度11.43～30 m，平均厚度23.57 m，傾角4°～9°，礦層平均品位76.53%。

礦區(qū)設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力60萬t，采用留護(hù)頂層和護(hù)底層的淺孔房柱法開采，礦柱沿傾向?qū)? m，礦房長20 m、跨度6 m，采高約15 m，設(shè)計(jì)留設(shè)5 m的護(hù)頂層和2 m護(hù)底層，目前正在開采-490 m水平。

在-520 m水平開拓過程中，地壓顯現(xiàn)明顯，爆破震動對圍巖造成嚴(yán)重?fù)p傷，巷道變形增加，并出現(xiàn)兩幫局部劈裂現(xiàn)象，以原設(shè)計(jì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)開采-520 m及以下深部礦體存在較高的安全隱患。

2 深部開采方案及爆破震動測試

結(jié)合礦體賦存條件和巖石物理力學(xué)性質(zhì)，該礦深部開采技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上無明顯劣勢的采礦方法有3種：淺孔房柱法、深孔房柱法、無底柱分段崩落法。

經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性比較及可行性研究，確定采礦方法仍采用淺孔房柱法，礦房跨度、采高不變，加大間柱寬度來控制圍巖變形，并采用統(tǒng)一、合理的間柱寬度。

圖1 測振位置、設(shè)備及安裝Fig.1 Blasting test location, equipment and installation

考慮采場爆破震動對圍巖的影響，利用TC4850爆破測振儀在-490 m水平進(jìn)行爆破測振，為動力學(xué)分析提供依據(jù)。正常一次性工作面爆破時(shí)在礦柱距離爆破點(diǎn)約10 m布置測點(diǎn)，分別測出垂直﹑水平﹑徑向三方向數(shù)據(jù)；測點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測如圖1所示，測振數(shù)據(jù)見表1。

表1 采場爆破震動測量數(shù)據(jù)表

Tab.1 Stope blasting vibration test data

組號爆心到測點(diǎn)距 離/m裝藥量/kg峰值振動速度/cm·s-1垂直z向分量水平x向分量水平y(tǒng)向分量19.660.01.9781.9223.379211.260.01.8171.7472.89439.160.02.1371.8543.128410.460.01.9351.8492.977平均值10.7560.01.9671.8433.095

整理爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，典型的爆破震動測試圖如2所示。因在深部-520 m開拓過程中發(fā)現(xiàn)巷道邊幫出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，為保證施工安全及頂板穩(wěn)定，參考相關(guān)文獻(xiàn)，對巖石強(qiáng)度參數(shù)按66%進(jìn)行折減[6-9]。模擬計(jì)算采用折減后的巖石力學(xué)參數(shù)(見表2)。

圖2 典型爆破震動測試圖Fig.2 Typical blast vibration test data

表2 折減后巖石試件物理力學(xué)參數(shù)

Tab.2 Reduced physical and mechanical parameters of rocks

巖石抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)比重/g·m-3頂板泥巖20.851.925132.79262.16石膏26.322.376616.21282.47底板泥巖23.782.055323.26272.20

利用FLAC3D軟件建立數(shù)值分析模型模擬-580 m水平開采，模擬分析礦房寬度6 m，采高15 m時(shí)留設(shè)間柱的合理寬度。模型尺寸100 m×50 m×50 m，計(jì)算模型如圖3所示。

在模型頂部施加約12 MPa的均勻荷載模擬上部巖層重力，采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則分別計(jì)算礦柱寬度6 m、8 m、10 m時(shí)開挖后及爆破震動影響下礦柱的位移與塑性區(qū)范圍，為研究爆破震動對采空區(qū)整體穩(wěn)定性的影響，爆破震動荷載以x、y、z三向波速形式從模型底部輸入。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

-580 m水平礦層，礦石中夾含泥巖，在潮濕的環(huán)境下吸濕泥化，使得風(fēng)化部分完全喪失承載能力。因此在模擬過程中要求結(jié)果含有極少的塑性區(qū)甚至不含塑性區(qū)才能保證采場的安全。

圖3 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 FLAC3D numerical calculation model

-580 m開采留設(shè)礦柱寬度6 m，8 m,10 m時(shí)，開挖后及爆破震動影響下模擬計(jì)算結(jié)果如圖4—圖9所示。留設(shè)礦柱寬度6 m時(shí)，受到較高原巖應(yīng)力的影響，礦房開挖后間柱出現(xiàn)剪切破壞區(qū)域，爆破后，礦柱剪切破壞區(qū)域增加、甚至貫通，該礦柱寬度已不能保證采場及其圍巖的穩(wěn)定性。

留設(shè)礦柱寬度8 m時(shí)，礦房開挖后間柱也出現(xiàn)剪切破壞區(qū)域，但塑性區(qū)范圍較6 m時(shí)有所減小，爆破后，礦柱剪切破壞區(qū)域沒有明顯增加，該寬度下間柱仍然存在片幫的危險(xiǎn)。

圖4 6 m間柱時(shí)礦房開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.4 Plastic zone after the excavation for 6m pillar圖5 6 m間柱時(shí)礦房開挖后爆破震動影響下塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone under the influence of blasting after the excavation for 6m pillar圖6 8 m間柱時(shí)礦房開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.6 Plastic zone after the excavation for 8m pillar

圖7 8 m間柱時(shí)礦房開挖后爆破震動影響下塑性區(qū)分布Fig.7 Plastic zone under the influence of blasting after the excavation for 8m pillar圖8 10 m間柱時(shí)礦房開挖后塑性區(qū)分布圖Fig.8 Plastic zone after the excavation for 10m pillar圖9 10 m間柱時(shí)礦房開挖后爆破震動影響下塑性區(qū)分布Fig.9 Plastic zone under the influence of blasting after the excavation for 10m pillar

留設(shè)礦柱寬度10 m時(shí)，礦房開挖后及考慮爆破震動狀態(tài)下均沒有出現(xiàn)明顯的破壞區(qū)域，可見10 m寬度的間柱可以保證采場的穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場實(shí)踐與監(jiān)測

本計(jì)算結(jié)果首先在-520 m水平工作面進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，膏層埋深500～520 m，礦房凈寬6.0 m，凈高15 m，間柱寬為10.0 m。

回采結(jié)束后，選取該工作面礦房進(jìn)行觀測，利用頂板動態(tài)儀、巷道變形收斂儀等儀器對礦房進(jìn)行變形觀測，每5 d測量一次,觀測結(jié)果見表3。

表3 頂?shù)装寮暗V柱位移監(jiān)測

Tab.3 Roof & floor & pillar displacement monitoring

觀測日期頂板下沉累計(jì)量/mm底鼓累計(jì)量/mm兩幫移近累計(jì)量/mm4.110004.160014.211124.261125.11125.62135.112245.162255.213265.263376.14376.64376.11437

礦房圍巖變形曲線如圖10所示，礦井深部開采時(shí)采用本成果參數(shù)，即采房寬度6.0 m，膏柱寬度10.0 m，護(hù)頂膏5 m、護(hù)底膏2 m，礦房頂板下沉量及頂?shù)装逡平烤^小，能夠保證現(xiàn)場生產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

1)在實(shí)測爆破震動波速的基礎(chǔ)上，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件動力模塊，對大漢石膏礦-580 m水平深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：在礦房尺寸(采寬6 m，采高15 m，采長20 m)不變的情況下，留設(shè)6 m、8 m間柱時(shí)，在靜力及爆破震動影響下，間柱均出現(xiàn)較大范圍的剪切破壞區(qū)域，嚴(yán)重影響采場的穩(wěn)定性；留設(shè)10 m間柱時(shí)，無明顯損傷區(qū)域，因此推薦深部開采合理間柱寬度為10 m。

圖10 礦房開采后圍巖變形位移曲線Fig.10 Deformation and displacement curves of surrounding rock after mining

2)通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及位移監(jiān)測，表明10 m寬度間柱條件下實(shí)際應(yīng)用效果較好，對石膏礦深部開采具有一定的參考價(jià)值。