板裂狀圍巖下薄礦脈開采穩定性相似模擬試驗研究*

顏嘉俊，王新民，王曉軍，曾 強，劉 健

(江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000)

0 引言

相似材料模擬試驗是基于相似原理將礦山原型等比例縮小，是一種可以定性甚至定量地研究巖層變形情況和礦壓規律的重要方法，因其直觀、靈活、高效等特點在采礦領域得到了廣泛應用[1]。蘇士龍等[2]利用相似模擬試驗方法從可否形成壓力拱的角度對比分析了不同支護方式對層狀巖體巷道的變形破壞特征及應力演化規律。劉新盤等[3]通過構建相似模型，模擬了實際邊坡開采過程，優化了鹿鳴鉬礦露天邊坡結構。相有兵等[4]基于相似模擬試驗, 得到了在礦房跨度較小時，人工礦柱與原生礦柱在控制巖體頂板變形的規律上并無差別。關守安等[5]結合相似材料模型試驗與數值模擬手段，對某金礦開采過程中上覆巖層移動及地表沉降規律進行了研究，結果表明，淺部開采對地表沉降影響較大，深部開采對上覆巖層變形的影響較小。陸玉根等[6]通過建立大紅山鐵礦相似模擬試驗模型，掌握了該礦井下崩落法開采上覆巖層的移動及其地表塌陷規律。國內采用相似模擬試驗方法對巖層變形及地表沉陷等規律的研究大多集中在煤礦領域[7-10]，較少用于地下金屬礦山。本文針對贛南某鎢礦板裂狀薄礦脈上采時圍巖不穩固而導致礦體難以回采的問題，利用相似模擬試驗方法對比普通留礦法、靜態留礦法、散體人工礦柱+錨固法3種回采方法，研究上下盤板裂狀圍巖隨開采的變形情況及移動規律。

1 研究背景

某礦山屬于典型急傾斜薄脈群鎢礦床，目前+417 m以上中段已回采完畢，+367、+317 m中段正在回采，+267 m以下中段正在實施開拓工程。隨著開采向中深部延伸，礦巖原生應力增大，加之上部空區群的存在，使得開采環境惡化(體現為礦巖接觸帶巖體板裂化現象嚴重、礦體節理發育以及開采次生應力集中而誘發的礦巖滑跨、冒落等)，導致大量高品位礦體滯留于復雜的地壓環境中。普通留礦法在放礦前，礦石充填了采空區，其可以支撐上下盤；放礦后，上下盤失去礦石支撐，上盤易發生板裂狀潰曲垮落(見圖1)。以上類型的難采礦體造成+417 m中段以下采場資源回收率下降，而普通留礦法只能局部挑采，礦房的上采高度僅為20 m左右，且開采安全風險極大。

圖1 板裂狀潰曲垮落示意圖

2 相似材料模擬試驗

2.1 相似常數計算

相似材料模型大多是定性模型，通過模型試驗判斷原型中可能發生的現象的本質和機理。在定性模型中，沒有嚴格要求符合各種相似關系，只要滿足幾個重要的相似常數即可[11-12]。在對相似原理和巖體受力變形相似理論研究的基礎上，選取幾何相似常數，計算物理相似常數。

1)幾何相似

研究模型與某原型之間相關問題時，必須使模型與原型之間成幾何相似，即

lp/lm=Cl，

(1)

式中，p表示原型，m表示模型，Cl為幾何相似常數，lp為原型幾何尺寸，lm為模型幾何尺寸。

2)物理相似

在相似材料模擬試驗中，主要物理量的物理相似常數可能因所要解決的問題不同而略有差異。一般情況下，主要的物理相似常數有：

a)容重相似常數

Cγ=γp/γm，

(2)

式中，γp為原型容重，γm為模型容重。

b)應力相似常數

Cσ=σp/σm=Cl·Cγ，

(3)

式中，σp為原型應力，σm為模型應力。

c)彈性模量相似常數

CE=Ep/Em，

(4)

式中，Ep為原型彈性模量，Em為模型彈性模量。

2.2 相似材料配比

基于地下礦山采場實際的采礦條件，采用ZYDL-YS120/100 巖體平面相似模型試驗平臺構建模型，試驗臺的幾何尺寸為200 cm×30 cm×120 cm(長×寬×高)。對原型與試驗臺的幾何尺寸進行計算，最終確定本次相似材料模擬試驗的Cl為100，Cγ為1.5，Cσ=Cl·Cγ=150。

模型的制作材料分別為沙漠細沙、高強度石膏和水。其中細沙模擬巖體骨料，且細沙粒徑需小于0.3 mm；高強度乙級石膏粉為膠結劑；水為塑性影響劑[13-14]。由于相似材料模擬試驗更強調將原型中本質性的特征體現出來，所以本次試驗對原型進行了簡化，主要模擬一種巖性。原巖及相似材料的物理力學參數如表1所示。基于正交試驗原理，以沙膏比、水膏比作為正交設計的兩個因素，設計了20組相似材料配比方案，如表2所示。采用RMT-150C巖石力學試驗系統對養護7 d的相似材料試件進行單軸抗壓強度測試，結果見表3。

表1 原巖及相似材料的物理力學參數

表2 相似材料配比方案

表3 7 d單軸抗壓強度測試結果

通過分析表3，最終確定了符合強度相似比的材料配比——ω(沙子)∶ω(石膏)∶ω(水)=5.0∶1.0∶1.2，其7 d單軸抗壓強度為0.67 MPa，彈性模量為0.066 GPa。

2.3 相似材料模型

本次相似模型模擬試驗以該礦山試驗采場的采礦條件為背景設計模型，試驗采場沿礦體走向布置，采場高40 m，長30 m，采幅1.2 m。根據相似模擬試驗研究目的，結合上文得到的相似比，為了對比研究有無礦柱及錨桿支護釆場上下盤圍巖的位移變化規律，本次模擬在同一模型試驗臺同時設計了3個模型：模型1(普通留礦法)、模型2(靜態留礦法+錨桿支護)、模型3(散體人工礦柱+傾向錨桿支護)。模型示意圖如圖2所示。

圖2 模型示意圖

按照前文得到的配比分別稱量沙、石膏、水分，然后人工充分攪拌形成混合料，并將其迅速倒入模框中。為了使相似材料模擬試驗更加準確可靠，每澆注一層就沿巖體傾向方向隨機插上一些云母片，以模擬巖層的板裂狀結構；并用搗錘壓實，使澆注材料盡量混合均勻、不留孔隙。觀察澆筑后的模型，待相似材料達到初凝強度后，拆去模板，在自然室內條件下養護7 d[15]。相似材料模型如圖3所示。

圖3 相似材料模型

在模型開挖之前，在模型監測面噴上散斑域以用于后期的監測，本次試驗采用杠桿加載的方式，對3個模型同時施加0.1 MPa的壓應力，模型水平應力為水平方向約束產生的支反力。模型自下而上分階段開挖，共上采8個階段，每次上采5 cm；采用DIC二維數字散斑測量與分析系統實時監測3個模型表面圍巖的移動，以分析不同開采時段下圍巖的變形破壞特征。

3 試驗結果分析

利用DIC二維數字散斑測量軟件輸出3個模型完成上采8個階段的位移量云圖(見圖4)。分別在3個模型上采的一、四、六階段選取相應位置的測點，繪制各測點各開采階段的垂直位移量變化曲線，如圖5所示。

圖4 各模型開采八階段垂直位移云圖

(a)模型1

(b)模型2

(c)模型3

由圖4可知：模型1在無任何支護的情況下受開采擾動的影響極大，在上采的一、二階段，模型垂直位移量迅速增加，最大位移量為0.5 mm左右；隨著上采的不斷進行，位移量逐漸增大，且在開挖過程中，用云母片模擬的弱勢結構面有脫落現象，模型的最終位移峰值達1.1 mm。模型2在有錨桿支護的情況下各階段位移量較模型1小，但總體變化趨勢一樣。在開采的前3個階段，模型的位移量變化較小，位移量僅為0.2 mm左右；其原因可能是上采3個階段，采空區暴露面積較小，錨桿支護起到了一定作用。當開采高度增加時，采空區暴露面積增大，圍巖出現應力集中，錨桿支護作用逐漸減弱。模型3的圍巖位移量變化趨勢整體較為平穩，沒有隨著上采高度的增加而增大。礦柱對圍巖開采的支撐效果明顯，位移峰值僅為0.45 mm左右。模型中挖掉的部分形狀保持較好，說明在模型開挖過程中，開采擾動對采空區的影響較小，圍巖未發生滑落。

由圖5可知：模型1各測點在礦體開挖過程中，位移量變化較大，且最大位移變化量達0.85 mm；模型2的各測點相較于模型1，位移量變化趨勢較緩，最大位移變化量僅為0.8 mm；模型3底部1號測點的垂直位移量基本無變化，隨著上采不斷推進，2、3號測點的位移變化量僅為0.25 mm。由此表明，礦柱對控制板裂狀圍巖穩定性的效果是明顯的，錨桿對圍巖的支護略有作用。

3個模型的頂板、上盤和下盤圍巖的垂直位移量變化曲線如圖6所示。由圖6可知：模型3的頂板、上盤和下盤位移量均遠小于模型1和模型2，可見礦柱+錨桿支護對板裂狀圍巖穩定性的控制效果遠優于普通留礦法；同時，模型2在前4個上采階段，上下盤及頂板的位移量均明顯小于模型1，可知錨桿的支護對控制圍巖的穩定發揮了作用，然而隨著上采高度的不斷增加，采場出現應力集中，錨桿失去了作用。由于本模型的幾何相似比為1∶100，所以在圖中模型1頂板的位移量為1.1 mm左右，在實際中就相當于圍巖移動了11 cm，這就很有可能導致地壓災害的發生。

(a)頂板

(b)上盤

(c)下盤

4 結論

基于正交試驗原理，進行了相似材料配比試驗，得到如下主要結論：

a.散體人工礦柱+錨固留礦法通過利用人工礦柱減小了回采跨度，提高了采場穩定性，并沿傾向布置了多層錨桿支撐上下盤圍巖，在不損失礦量的前提下提高了回采的安全性。

b.對比3個模型的頂板、上盤和下盤圍巖的垂直位移量，可以非常直觀地看出模型3的頂板、上盤及下盤的位移量均遠小于模型1和模型2，由此表明礦柱+錨桿支護對板裂狀圍巖穩定性的控制效果遠優于普通留礦法。

c.模型2在上采的前幾個階段，錨桿支護對控制圍巖穩定是有效的；隨著上采高度的增加，采場出現應力集中，錨桿便逐漸失去了作用，因此僅對圍巖進行錨固支護不足以改善地壓環境。