金川矿山两体岩石力学问题初探

李德贤,彭府华

(1.金川镍钴研究设计院矿山分院, 甘肃金昌市 737100;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

金川矿山两体岩石力学问题初探

李德贤1,彭府华2

(1.金川镍钴研究设计院矿山分院, 甘肃金昌市 737100;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

金川二矿区深部采场面积将达到 10万 m2,埋深将接近 1000 m,深部采场围岩及充填体的稳定性成为当前的核心问题。针对由充填法开采引起的地表移动、变形和破坏等问题,分析了大量充填体形成的“人工岩体”、“空壳体”与天然地质体之间的性质差异及其相互作用机理,借鉴两体力学试验分析结果,提出了金川矿山深部开采面临的两体岩石力学问题。

金川矿山;充填体;地质体;两体力学模型;岩体移动

0 引 言

于润沧院士认为,在世界范围内,金川二矿区(主要指 1#主矿体)的开采难度是非常大的。从二矿区矿体的特点和当时满足国家对镍的需求来看,采用机械化下向胶结充填法开采是最佳选择。但是对矿体平均厚度近百米、水平面积达 10万 m2的矿体全面采用下向充填法,在世界上还没有先例。

目前,金川二矿区采用下向分层胶结充填采矿法开采,开采后充填体面积已由 5万m2扩大到近 10万 m2,悬顶充填体约 1000万 m3。1998年地表发现张裂缝,采空区沉降,出现岩移,且随着开采规模和生产能力的扩大,采场岩移日趋加剧,目前二矿区地表已发现的地裂缝明显者共 40余条,形成一个巨大的沉降盆地,从 2001年 5月到 2006年的 12月,在地表利用 GPS测得的最大沉降中心的沉降速度为每半年 83 mm,累计最大下沉量达 883 m,致使 14行风井于 2005年 3月发生剧烈垮冒。

一般认为采用充填采矿法开采的矿山岩移问题不严重,甚至不会产生岩移问题。然而金川实践表明:即使是采用充填强度较高的胶结充填法开采也已引起地表较大范围的岩体发生移动、变形和破坏。随着地下开挖的深度和规模不断扩大,充填体的大量存在,势必导致大范围的岩体移动、变形和破坏问题,对矿区的整体稳定性及竖井安全形成威胁。

1 两体岩石力学问题的提出

1.1 充填体与地质体问题

经过数十年的开采,金川二矿区已经形成巨大的地下充填体系统,如图1所示。

图1 金川二矿区开采典型剖面

充填体实际上是一种大体积“人工岩体”,是大尺度的人工构筑的地下受力结构,一方面承担采空区上下盘和顶板传递来的地应力作用,同时还要担负其自重力的作用。而俗称的岩体是“地质体”,有着地质构造特征,其工程性质受到地质构造、地质力和自身性质的影响。为了叙述方便,在随后的说明中将人工充填体称为“人工岩体”,只有在需要区分的时候使用“人工岩体”或“充填体”的称谓。

金川矿山大量充填体的存在改变了采场围岩自身的应力大小和状态,势必影响围岩的自稳、变形和破坏。在一个大范围的地质体中有无这种充填体,其一系列变形破坏规律将有着巨大的差异。同时,在下向开采的过程中,如果开采暴露的充填体面积过大,则这种充填体就成为典型的垂悬梁板结构,将是更加复杂的一种力学机制。

1.2 “空壳体”与地质体问题

自金川二矿区投产以来,采出的矿石量大于 2亿 t,掘进巷道、硐室等约 10万 m,形成的采空区约850万 m3。虽然对绝大部分采空区进行了充填,但仍有许多废弃巷道、硐室以及部分冒顶采场未能充填。据统计,这些未充填的采空区体积约为 17万m3,占总采空区的 2%。充填过程中各层充填体之间的不接顶现象导致的空区也不容忽视,约占整个采空区的 3%左右,即整个开挖空间至少有 5%是最终没有充填的空置区,空置区体积约为 43万 m3,因此在矿区形成了巨大的“空壳体”。

另一方面,目前二矿区进入了深部开采,地压较大,再加上岩体节理裂隙发育,大量采空区的存在给空区周围岩体的移动和变形破坏提供了空间,再者“空壳体”的存在,改变了充填体与围岩接触面的力学机制,影响了充填体和围岩体应力状态和应力路径,同时吸收了围岩部分应变能,致使在矿山稳定性分析中不确定因素增加,造成分析结果失真。

1.3 两体岩石力学问题核心

充填体、“空壳体”和地质体三者在受力、变形及自身性质中的巨大差别,势必导致其在破坏和变形方面的不一致性和不协调性。同时,这三者之间存在耦合作用的力学和变形机理。其相互作用的关键在于三者之间的接触面或接触部位的力学行为(这其中先不考虑充填体内部分层离析形成滑动和“空壳体”的情况)。金川矿山属于高应力矿山,那么充填体、“空壳体”和地质体三者在高应力情况下的相互作用机理就成为金川矿山岩移规律分析的难点,特别是动态相互作用主要依靠接触面传递应力和位移,是岩移分析和治理的关键。

假设充填体和围岩体接触面接触良好,两种材料相互作用时,其相互作用力学也十分复杂。而目前金川矿山分析矿山稳定性时,仍然是把充填体和地质体视为一体进行计算分析,材料参数按照实际取不同值。这种分析方法在力学上称之为“一体两介质”分析法,这种分析法对 2种材料之间刚度和强度相接近、完全粘结的情况是适用的。但对充填体和地质体这 2种性质差别巨大的材料进行这样的分析,显然不能揭示其本质,容易导致结果失真,从而在矿山稳定性分析和判别时对问题认识不清,造成严重的后果。充填体、“空壳体”与地质体之间的受力变形关系,或者三者耦合作用下受力变形机理这就是本文提出的金川矿山“两体岩石力学”问题。

2 充填体和地质体力学性质差异

金川矿区岩体结构以层状结构和碎裂结构为主,局部为块状结构;由于经历了吕梁运动以来的各次地质构造运动,留下了以断裂为主的构造形迹,大小断裂纵横交错,断层、节理十分发育。同时就岩体“结构性”而言,其地质缺陷具有高度的隐蔽性、不确定性和时空变异性。力学性质上呈各向异性,且地应力、地温、地下水等因素对其物理力学性质影响很大;岩块强度非常高,岩块单轴干燥抗压强度一般大于 50 MPa,但岩体强度低,抗剪和抗拉能力较弱,蠕变量大。

人工岩体 (充填体):主要由建筑材料人工配合而成,骨料可就地取材,如天然砂砾、炉渣、尾砂或碎磨砂、石等;力学性质上呈近似各向同性,强度受配合比影响巨大;金川矿山充填体 28 d龄期时强度为5 MPa左右。

充填体相对地质体而言,其强度低,但塑性则要比岩体大很多,这一“软”一“硬”可以比喻为“夹心饼干”。充填体在塑性变形和破坏时可以吸收和耗费更多的能量,用以克服产生的塑性变形,因此充填体和岩体在阻抗变形上其差距巨大,不可能实现协调变形,同时“软”的充填体对硬的岩体变形提供了变形空间,加大了矿区岩移程度。

3 充填体和地质体的相互作用机理

目前国内外对充填体与围岩体力学作用机理进行了大量的研究,Brown.ET和 Brady.B.H.G提出了 3种作用机理:充填体对围岩的表面支护作用、充填体对围岩的局部支护作用及充填体的总体支护作用。北京科技大学的于学馥教授对金川二矿区的充填问题进行了研究,认为充填体作用机理主要表现在以下 3方面:一是应力转移和吸收作用,充填体充入采空区后,开始是不受力的,随着充填体强度的提高具备了转移地应力和吸收应力的能力,从而形成了对围岩体的应力转移和吸收作用机理;二是应力隔离作用,包括隔离水平应力、隔离垂直应力;还有系统的共同作用。充填体进入采空区后,由于充填体、地应力、围岩、开挖等共同作用,特别是开挖系统的自组织机能,抑制了围岩的变形破坏,减缓了围岩能量的耗散速度,使得矿山结构和围岩破坏的发展得到了控制,防止了无阻挡的自由破坏塌落的发生。

从以上的研究成果分析可见充填体对采场围岩直接的支护作用,主要是维护采场围岩的自身强度和支护结构的承载能力,限制空区围岩移动等多种方式来阻止和限制围岩发生移动和变形,防止采场或巷道的整体失稳或局部垮落。

但从金川矿山的实际来看,由于采矿活动对围岩的持续反复扰动,充填体作为扰动地质体中的填补物,只是降低了围岩体发生变形的幅度,而没有限制围岩变形。若表层围岩没有破坏,岩体自身承载性能得以维持,就不会失稳。充填体就是维持岩体表层的完整,使其破坏不向纵深发展,是以施加固压的方式维持了原岩的完整性,调动原岩自承能力支撑地压,并非靠自身强度硬性抵抗围岩活动。但是随着金川矿山采矿活动向纵深发展,尤其 2000年二矿地表发现张裂缝开始,标志着开采初期原岩承载拱也已经消失,上覆岩层压力就完全传递给充填体,作用于充填体上垂直压力越来越大。充填体压力明显增大,导致采场充填体垮冒事故增多,破坏程度加重,岩移向纵深发展。同时充填体尺寸逐渐增大,采场围岩及充填体自身移动变形的渐进积累到一定程度时,开始向充填空隙和“空壳体”移动,加速了围岩移动速率。充填体及岩体在这种力的挤压、释放重复作用中,其必然产生新的间断面和破裂,以适应变形需求,因此也导致了岩体位移的增大,岩体更加破碎,岩体性能降低。

4 两体岩石力学模型探讨

目前,国内外还没有研究充填体与地质体相互作用的两体力学分析模型,而对两体材料相互作用的研究大部分是以断裂力学为基础,重点研究界面的断裂准则、裂纹的应力场分布等。研究相互作用时接触面力学特性的主要途径有 2种:一是将接触面和地质体视为一体,构成所谓的阻抗函数问题,通过理论推导和数值计算求解地质体阻抗,由此可以获得接触面处的力和位移的关系;二是在接触面力学特性实验基础上直接建立接触面的本构关系。阻抗函数问题的求解,一般将地质体视为弹性体,不考虑接触面本身的力学非线性特征。因此,以上研究也不适用本文所提的两体岩石力学研究,或仅适用于地质体和充填体处于弹性变形阶段的情况。这就需要我们通过试验和理论研究,寻找地质体和充填体相互作用下的非线性变形规律。

中国矿业大学易成教授用岩石 -砂浆两介质圆柱体试件进行试验,试验结果如图2、图3所示,研究了砂浆与岩石二者在轴压下的变形规律,并分析了两体力学模型相互作用机理。

图2 两体两介质纵向应变

图3 两体两介质环向应变

如果并定义砂浆 (类同与充填体)为底强度介质,岩石为高强度介质,从图中可见两体两介质模型曲线都有明显转折,均存在 1个较为明显的承载力峰值,呈现不同发展现象,表现出不均匀非连续的特征。曲线明显地转折点即为低强度介质开裂时刻。出现这种现象是因为:两种介质中至少一种存在初始缺陷,体系带缝工作 (岩体结构面),此时随着荷载增加,裂纹持续扩展,不存在裂缝开裂导致能量突然释放等突变现象;体系无初始缺陷,但低强度介质的纵向裂缝出现在介质中央,将该介质一分为二。

从图2可见,砂浆由于属于低强度材料,出现明显的应变软化特征,甚至为流塑状态,而岩石呈明显应变硬化特征。结合图3,可见岩石只是在峰值后破坏后与砂浆可能出现相同的变形特征。

如果在矿山稳定性分析中,把二者作为一体材料不同属性按 Morh—Coalomb准则进行计算,是非常不妥的。应该建立基于岩体材料和充填体材料性质相适宜的复合材料模型,通过分别考虑岩体强度特征和充填体特性,再结合各向异性理论和应变硬化 -软化理论,该模型理论至少应该满足以下 2个基本条件:

(1)强度方面:复合材料模型为由岩体和充填体组合而成的一种宏观复合材料,岩体和充填体各自独立考虑强度特性,其中充填体可以遵循带拉伸截止限的Mohr-Coulomb强度准则;而岩体应遵循非线性各向异性准则,这 2个准则的具体选用则根据工程具体情况而定。

(2)变形方面:岩体的变形遵循横观各向异性理论的变形条件,且岩体硬化–软化行为采用其力学参数随损伤或塑性参数的演化规律来实现。

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2011-06-23)

李德贤 (1982-),男,工程师,硕士,从事岩体力学和巷道支护研究工作,Email:lidexian2000@sina.com.cn。