基于力学模型计算徐楼铁矿帷幕注浆厚度

2016-08-15张贺庭

现代矿业 2016年7期

关键词：大理岩采场帷幕

张贺庭

(淮北徐楼矿业有限公司)

基于力学模型计算徐楼铁矿帷幕注浆厚度

张贺庭

(淮北徐楼矿业有限公司)

摘要近矿帷幕注浆采场顶板形成的防渗帷幕体，既具有防渗阻水的作用，又具有承受上部荷载的作用，因此帷幕体的厚度显得尤为重要。以徐楼铁矿帷幕注浆为例，结合断裂力学的Westergaard应力函数及薄板弯曲变形结构的力学特征，建立了近矿顶板注浆帷幕厚度的力学模型，基于该模型计算了徐楼铁矿顶板帷幕注浆的厚度。该力学模型为顶板注浆帷幕厚度分析提供了一条新的途径。

关键词近矿帷幕注浆采场顶板力学模型

徐楼矿区位于淮北市濉溪县境内，矿区为冲积平原，地势平坦，地表海拔约30 m。徐楼矿区石楼矿床一矿带位于闪长岩与大理岩连接带或其附近的大理岩内。矿体埋藏于侵蚀基准面及地下水位之下，矿床以充水岩层、孔隙岩层为主。矿体顶底板基本为大理岩，而大理岩便为岩溶裂隙含水层，该含水层埋藏于地表以下42～120 m处，厚40～80 m，似层状，裂隙、溶洞均较发育，含水丰富，为承压岩溶裂隙水。在石楼一矿带开采过程中，若第四系砂层孔隙水不进入矿坑，该矿坑涌水主要为岩溶裂隙水，流向集水坑道的地下水呈平面流形式。在不采取任何治水措施的前提下，昼夜涌水量超过30 000 m3；若顾及四系砂层水，则昼夜涌水量超过100 000 m3。因此，要实现成功开采，须有效治水，通过方案论证选择近矿帷幕注浆方案。本研究结合前人相关研究成果，通过构建力学模型计算该矿帷幕注浆厚度。

1　近矿体帷幕厚度力学模型构建

1.1帷幕厚度模型

根据矿体顶板注浆帷幕的作用机理，注浆帷幕厚度可分为：①无效厚度(h1)，靠近采空区，在采矿爆破作业、采空区四周应力重分布引起应力集中的情况下，注浆帷幕体在该范围内形成的裂隙带，无法发挥有效的隔水作用；②有效厚度(h2)，相对远离采空区，受采矿作业的影响较小，为完整的隔水体，为防渗阻水和维持采场顶板稳定的主体(图1)。

1.2无效厚度假设条件及计算

假设条件：①采空区破坏后形成大裂纹，裂纹四周即为近矿帷幕体；②将注浆堵水帷幕体分为有效和无效两部分；③破坏准则为摩尔-库仑准则；④采场边界条件满足采场上下表面无应力、采场左右边缘存在应力集中、远离采空区应力集中消失等条件。基于上述假设，帷幕边缘的应力以Westergaard应力函数[1-3]为基础，可推导出帷幕无效厚度(h1)的计算公式

图1　徐楼铁矿近矿帷幕厚度概化模型

(1)

式中，γ为注浆帷幕上覆岩体的平均容重，kN/m3；H为采场的最大埋深；Lx为采场暴露长度m；θ为破坏点与水平方向的夹角，采场顶板夹角为90°；Rc为帷幕注浆体抗压强度，MPa。

1.3有效厚度假设条件及计算

有效厚度假设条件：①符合弹塑性力学，其变形近似薄板的弯曲变形；②满足H·Treasca屈服准则[1-3]。依据弹性力学薄板理论，以板中的挠曲函数为基础，可推导出帷幕有效厚度(h2)的计算公式

(2)

式中，Lx、Ly为采场暴露尺寸(长、宽)，m;P为静水水压，MPa；GH为垂向应力，MPa；v为注浆帷幕体的泊松比；τ为注浆帷幕隔水体的平均抗剪强度，MPa。

2　近矿帷幕厚度计算

2.1注浆帷幕范围

帷幕分布于-26～-125 m水平，垂直高度为100 m；帷幕长度从-100 m水平东部探矿巷西端至-45 m水平6-2#回风穿脉，长约360 m。该堵水工程是在井下硐室和巷道施工钻孔并进行注浆，在矿体顶板附近形成隔水帷幕，封堵矿体外围地下水。

2.2帷幕厚度力学计算参数选取

徐楼铁矿一矿带盘区小矿房开采采用分段空场法，一次性暴露面积长(Lx)38 m，宽(Ly)10 m，矿体产于大理岩与闪长岩的接触带，大理岩为矿体的直接顶板，为矿区一含水层，水头高于地表0.6～0.8 m，为承压岩溶裂隙水。矿区地面标高约30 m，回风巷最低标高-58 m，作用于顶板的静水压水头为88.8 m，按90 m计算，静水压取0.9 MPa；注浆帷幕上覆岩体的平均容重27 kN/m3；注浆帷幕体主要位于大理岩体中，大理岩的饱和抗压强度为44.17 MPa，按60%折减，取允许抗压强度2 650 kN/m2；注浆帷幕体的泊松比取0.31；注浆帷幕体的抗剪强度取大理岩允许抗压强度的1/10，允许抗剪强度取265 kN/m2；采场最大埋深取88 m。

2.3注浆帷幕体厚度计算

将上述参数代入式(1)、(2)，计算得出注浆帷幕的无效厚度(h1)为5.4 m，有效厚度(h2)为15.6 m，帷幕注浆的总厚度(h)为21 m。