预留原生矿柱对片理状岩体采场稳定性影响试验研究

王晓军,冯 萧,钟春晖

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;2.江西理工大学,江西赣州341000)

在金属矿床回采过程中经常会遇到一些特殊类型的岩体影响采场的安全回采,其中,片理状岩体对矿体的安全回采形成了一定的威胁,诸如浅变质绢云母千枚岩、砂质千枚岩等[1-3]。该种岩体片理发育,其产状一旦与矿体一致,在极倾斜矿体回采过程中极易产生采场上盘围岩的片帮、冒顶,造成二次贫化,甚至出现整个采场的失稳。针对这一问题多数矿山采用了木支护、锚杆支护甚至长锚索支护等常规支护手段[4-5]。这些支护手段对局部片理状岩体的片帮、冒落起到了积极的作用,但随着上采高度的增加,采场的中上部上盘围岩依然会出现较大面积的整体垮落,如果大面积使用支护措施必然会增加支护费用,提高回采成本。因此,研究低成本、高效果的支护手段对片理状岩体矿山采场的安全回采意义重大。

通过对类似岩体结构矿山采场进行现场调查,并对比分析各种支护方法的优缺点,本文提出了针对片理状岩体急倾斜矿脉回采过程中在上下盘围岩之间预留原生矿柱的方法支护上盘围岩,从而降低支护成本,保证回采安全。

1 预留矿柱试验与结果分析

为了确定预留原生矿柱的高度、规格与分布形式,本文以某铅锌矿无底柱留矿法采场为工程实例进行了相似模拟、数值计算等专项试验。通过对试验结果分析比较,确定了采场中所预留矿柱的规格与尺寸。

1.1 相似模拟

利用相似原理,采用模型试验模拟片理状岩体采场的回采过程[6-7]。模型材料选用河砂、水泥、石膏的混合物,为了模拟片理状岩体,选用云母片作为片理材料。根据相似模拟的经验,本实验容重相似常数取1,几何相似比取1∶50,经计算得应力相似比为50∶1,相似模拟材料的力学性质见表1。由于弹性力学的平面应力与平面应变中应力求解方程一致。因此,用平面应力模型来模拟实际处于平面应变的岩层。本实验设计两组平面应力模型进行模拟,其中第一组为不预留矿柱直接回采,第二组预计在第一组上采过程中发生大面积垮落的适当高度预留矿柱,实验模型见图1。

表1 相似模型材料力学性质

图1 相似模拟试验模型

实验采用杠杆加载来模拟采场上覆岩层的压力,边界条件取开挖空间的5倍,在模型开挖过程中对模拟开挖的岩体进行应变、位移、声波连续监测。通过对监测结果分析主要发现以下几点。

1)1#模型随着上采高度的增加,各应变监测点应变数值呈增加趋势,其中水平方向应变增加显著,当回采斜长达到90cm(相当于原型回采高度38.5m)时,水平方向应变开始急剧增加,很快上盘岩体出现严重垮落,将回采空间挤死。对位移监测结果分析发现在矿体回采至斜长60cm(相当于原型回采高度25.7m)的位置时,1#、2#监测点的位移变化不大,表明矿体上下盘都比较稳定。但随着回采工作的继续推进,这两个监测点的位移量迅速增大,说明当回采到斜长60cm时,矿体围岩开始处于不稳定状态。对波速三个点的监测也发现模型开挖后岩体纵波波速逐渐增高,回采至斜长90cm(相当于原型回采高度38.5m)时,波速迅速降低。通过分析可知回采斜长90cm(相当于原型回采高度38.5m)处为上盘围岩失稳的关键部位,从位移分析上可以判别当模型回采高度到60cm(原型回采高度25.7m)处为岩体位移的转折点。

2)模型Ⅱ根据模型Ⅰ开挖的分析结果将上下盘之间的矿柱预留在回采斜长65cm(原型回采高度28m)处,开挖结果显示该模型采场完成了整个回采高度 (相当于原型回采高度45m。回采过程同样采用三种监测手段进行监测,通过与模型Ⅰ对应的监测点进行比对发现上盘围岩应变在回采至斜长45cm(相当于原型回采高度20.3m)拉伸应变达到最大值,之后逐渐降低,位移监测发现回采到中上部以后各监测点的水平方向位移明显小于模型Ⅰ。声波监测发现整个监测过程岩体纵波速度变化比较平稳,说明回采过程中通过在上下盘围岩间关键点预留矿柱,使围岩自身的稳定性有了明显的改善,最终增加了回采的高度,维护了采场的稳定系。

3)此次相似模拟试验由于模拟试验台的限制,采用了平面应力模型进行模拟,对片理状岩体采场的长度方向无法实施全方位的模拟,现场调查发现随着开采空间拉大,沿矿体走向的采场下部局部也会出现岩体片帮,所以是否在采场的中下部上下盘之间预留原生矿柱进行支护,以及原生矿柱的数量与间距等问题还有待于进行研究。本文利用数值模拟实验来解决这几方面的问题。

1.2 数值模拟

为了更准确确定采场预留矿柱的详细结构参数,在相似模拟试验结果分析基础之上,利用三维有限元数值模拟软件3D-σ片理状岩体采场回采进行数值模拟[8-10],此次模拟实验主要建立两种数值模型,一种为未预留原生矿柱的采场回采,第二种模型是在第一种模型模拟结果分析的基础之上,通过在回采过程中适当部位预留预留原生矿柱的回采模型。数值模拟中岩体的力学参数见表2。

表2 数值模拟岩体力学参数表

模型根据矿体赋存的条件及特点,从上至下分为-60m、-105m、-150m、-195m、-240m五个中段建立三维有限元几何模型进行数值模拟,模型共记34000多个节点、7000多个单元,沿矿体走向和垂直矿体走向分别取600m,中段高45m,矿体倾角取平均值70°,沿矿体走向采场长度取65m,顶柱厚度取4m,间柱5m,采幅取平均值2m,装矿进路长度取 6m,进路规格 2.2m×2.5m,进路间距为6.2m。具体模型见图2、图3。

通过两种模型数值模拟结果进行对比,来判断预留原生矿柱对片理状岩体采场稳定性所发挥的作用,其中,图4、图5为两种模型采场回采上盘围岩最大主应力等色图,图6、图7为最大主应力等值线图,图8、图9为两种模型采场回采上盘围岩位移等值线图。

图2 模型Ⅰ数值模拟结构

图3 模型Ⅱ数值模拟结构图

图4 模型Ⅰ最大主应力等色图

图5 模型Ⅱ最大主应力等色图

图6 模型Ⅰ最大主应力等直线图

图7 模型Ⅱ最大主应力等直线图

图8 模型Ⅰ位移等值线图

图9 模型Ⅱ位移等值线图

通过对两种不同模型数值模拟的最大主应力及位移结果对比分析得到以下几点:

1)从模型Ⅰ的模拟结果可以看出,在原来采场不预留点柱的情况下,采场上盘顶板围岩下部最大主应力仍为压应力,随着上采的高度增加,压应力逐渐减小,当上采至15m左右时,压应力显著减小。说明拉应力显著增加,在上采到30m至35m部位时出现了拉应力集中区域 (图4),通过图6可知,此处拉应力的数值为0.32M Pa,虽然拉应力数值比较小,但顶板靠近临空面,在这种拉应力作用下,将导致上盘顶板片理状岩体的片理折断,尤其是这种片理状构造和其他结构面组合作用时,使顶板冒落成为必然。此外,由模型Ⅰ的位移等值线图可以看出,未预留矿柱时,在上采高度达到30～35m处,上盘围岩的位移量在20mm以上,最大值达到为24mm。由此可见,对于这种片理状岩体结构的采场,当上采高度达到15m以上,应力、位移都开始显著变化,在30～35m区域应力与位移达到峰值,从而引发上盘岩体垮落。

2)模型Ⅱ针对模型Ⅰ的模拟结果在上采高度15m处与30m处预留原生矿柱,为避免下部岩体由于过早揭露引发的频繁扰动,在15m处沿采场走向预留原生矿柱2个,间距为25m(图3)。对照数值模拟结果可知,预留了原生矿柱之后,由于矿柱的作用,使顶板应力集中区域明显减小并被点柱分割,结合图5可以看出在原先30～35m处的拉应力区域已经消失,采场顶板仍表现为压应力,点柱也出现了压应力集中区域,但数值较小。此外,由于矿柱的作用,顶板的位移也降至15mm左右 (图9)。由此可见,借助于预留原生矿柱的作用,可以分割、改变采场中上部应力分布区域,使拉应力集中区域消失,在一定程度上保证了采场上盘顶板围岩的稳定性。

3 结论

通过对片理状岩体采场进行相似模拟与数值模拟联合分析得到以下主要结论。

1)在采场中预留原生矿柱改变了采场应力分布区域,减少了应力局部集中,改善了围岩自身的稳定性,提高了上采的高度,解决了矿山的实际问题,也保证了回采的安全性。

2)通过相似模拟与数值模拟的精确分析,在既不影响生产,又能保证安全的前提下,找到了预留原生矿柱的合理参数与最佳位置,即在采场中下部15m处预留原生矿柱两个,在中上部28m处预留原生矿柱1个,矿柱的高度为4m,宽度为4m,矿柱的截面形状为上部尖的五边形。

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