板裂状围岩下薄矿脉开采稳定性相似模拟试验研究*

2021-01-26颜嘉俊王新民王晓军

化工矿物与加工 2021年1期

颜嘉俊，王新民，王晓军，曾强，刘健

(江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

0 引言

相似材料模拟试验是基于相似原理将矿山原型等比例缩小，是一种可以定性甚至定量地研究岩层变形情况和矿压规律的重要方法，因其直观、灵活、高效等特点在采矿领域得到了广泛应用[1]。苏士龙等[2]利用相似模拟试验方法从可否形成压力拱的角度对比分析了不同支护方式对层状岩体巷道的变形破坏特征及应力演化规律。刘新盘等[3]通过构建相似模型，模拟了实际边坡开采过程，优化了鹿鸣钼矿露天边坡结构。相有兵等[4]基于相似模拟试验, 得到了在矿房跨度较小时，人工矿柱与原生矿柱在控制岩体顶板变形的规律上并无差别。关守安等[5]结合相似材料模型试验与数值模拟手段，对某金矿开采过程中上覆岩层移动及地表沉降规律进行了研究，结果表明，浅部开采对地表沉降影响较大，深部开采对上覆岩层变形的影响较小。陆玉根等[6]通过建立大红山铁矿相似模拟试验模型，掌握了该矿井下崩落法开采上覆岩层的移动及其地表塌陷规律。国内采用相似模拟试验方法对岩层变形及地表沉陷等规律的研究大多集中在煤矿领域[7-10]，较少用于地下金属矿山。本文针对赣南某钨矿板裂状薄矿脉上采时围岩不稳固而导致矿体难以回采的问题，利用相似模拟试验方法对比普通留矿法、静态留矿法、散体人工矿柱+锚固法3种回采方法，研究上下盘板裂状围岩随开采的变形情况及移动规律。

1 研究背景

某矿山属于典型急倾斜薄脉群钨矿床，目前+417 m以上中段已回采完毕，+367、+317 m中段正在回采，+267 m以下中段正在实施开拓工程。随着开采向中深部延伸，矿岩原生应力增大，加之上部空区群的存在，使得开采环境恶化(体现为矿岩接触带岩体板裂化现象严重、矿体节理发育以及开采次生应力集中而诱发的矿岩滑跨、冒落等)，导致大量高品位矿体滞留于复杂的地压环境中。普通留矿法在放矿前，矿石充填了采空区，其可以支撑上下盘；放矿后，上下盘失去矿石支撑，上盘易发生板裂状溃曲垮落(见图1)。以上类型的难采矿体造成+417 m中段以下采场资源回收率下降，而普通留矿法只能局部挑采，矿房的上采高度仅为20 m左右，且开采安全风险极大。

图1 板裂状溃曲垮落示意图

2 相似材料模拟试验

2.1 相似常数计算

相似材料模型大多是定性模型，通过模型试验判断原型中可能发生的现象的本质和机理。在定性模型中，没有严格要求符合各种相似关系，只要满足几个重要的相似常数即可[11-12]。在对相似原理和岩体受力变形相似理论研究的基础上，选取几何相似常数，计算物理相似常数。

1)几何相似

研究模型与某原型之间相关问题时，必须使模型与原型之间成几何相似，即

lp/lm=Cl，

(1)

式中，p表示原型，m表示模型，Cl为几何相似常数，lp为原型几何尺寸，lm为模型几何尺寸。

2)物理相似

在相似材料模拟试验中，主要物理量的物理相似常数可能因所要解决的问题不同而略有差异。一般情况下，主要的物理相似常数有：

a)容重相似常数

Cγ=γp/γm，

(2)

式中，γp为原型容重，γm为模型容重。

b)应力相似常数

Cσ=σp/σm=Cl·Cγ，

(3)

式中，σp为原型应力，σm为模型应力。

c)弹性模量相似常数

CE=Ep/Em，

(4)

式中，Ep为原型弹性模量，Em为模型弹性模量。

2.2 相似材料配比

基于地下矿山采场实际的采矿条件，采用ZYDL-YS120/100 岩体平面相似模型试验平台构建模型，试验台的几何尺寸为200 cm×30 cm×120 cm(长×宽×高)。对原型与试验台的几何尺寸进行计算，最终确定本次相似材料模拟试验的Cl为100，Cγ为1.5，Cσ=Cl·Cγ=150。

模型的制作材料分别为沙漠细沙、高强度石膏和水。其中细沙模拟岩体骨料，且细沙粒径需小于0.3 mm；高强度乙级石膏粉为胶结剂；水为塑性影响剂[13-14]。由于相似材料模拟试验更强调将原型中本质性的特征体现出来，所以本次试验对原型进行了简化，主要模拟一种岩性。原岩及相似材料的物理力学参数如表1所示。基于正交试验原理，以沙膏比、水膏比作为正交设计的两个因素，设计了20组相似材料配比方案，如表2所示。采用RMT-150C岩石力学试验系统对养护7 d的相似材料试件进行单轴抗压强度测试，结果见表3。

表1 原岩及相似材料的物理力学参数

表2 相似材料配比方案

表3 7 d单轴抗压强度测试结果

通过分析表3，最终确定了符合强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单轴抗压强度为0.67 MPa，弹性模量为0.066 GPa。

2.3 相似材料模型

本次相似模型模拟试验以该矿山试验采场的采矿条件为背景设计模型，试验采场沿矿体走向布置，采场高40 m，长30 m，采幅1.2 m。根据相似模拟试验研究目的，结合上文得到的相似比，为了对比研究有无矿柱及锚杆支护釆场上下盘围岩的位移变化规律，本次模拟在同一模型试验台同时设计了3个模型：模型1(普通留矿法)、模型2(静态留矿法+锚杆支护)、模型3(散体人工矿柱+倾向锚杆支护)。模型示意图如图2所示。

图2 模型示意图

按照前文得到的配比分别称量沙、石膏、水分，然后人工充分搅拌形成混合料，并将其迅速倒入模框中。为了使相似材料模拟试验更加准确可靠，每浇注一层就沿岩体倾向方向随机插上一些云母片，以模拟岩层的板裂状结构；并用捣锤压实，使浇注材料尽量混合均匀、不留孔隙。观察浇筑后的模型，待相似材料达到初凝强度后，拆去模板，在自然室内条件下养护7 d[15]。相似材料模型如图3所示。

图3 相似材料模型

在模型开挖之前，在模型监测面喷上散斑域以用于后期的监测，本次试验采用杠杆加载的方式，对3个模型同时施加0.1 MPa的压应力，模型水平应力为水平方向约束产生的支反力。模型自下而上分阶段开挖，共上采8个阶段，每次上采5 cm；采用DIC二维数字散斑测量与分析系统实时监测3个模型表面围岩的移动，以分析不同开采时段下围岩的变形破坏特征。

3 试验结果分析

利用DIC二维数字散斑测量软件输出3个模型完成上采8个阶段的位移量云图(见图4)。分别在3个模型上采的一、四、六阶段选取相应位置的测点，绘制各测点各开采阶段的垂直位移量变化曲线，如图5所示。

图4 各模型开采八阶段垂直位移云图

(a)模型1

(b)模型2

(c)模型3

由图4可知：模型1在无任何支护的情况下受开采扰动的影响极大，在上采的一、二阶段，模型垂直位移量迅速增加，最大位移量为0.5 mm左右；随着上采的不断进行，位移量逐渐增大，且在开挖过程中，用云母片模拟的弱势结构面有脱落现象，模型的最终位移峰值达1.1 mm。模型2在有锚杆支护的情况下各阶段位移量较模型1小，但总体变化趋势一样。在开采的前3个阶段，模型的位移量变化较小，位移量仅为0.2 mm左右；其原因可能是上采3个阶段，采空区暴露面积较小，锚杆支护起到了一定作用。当开采高度增加时，采空区暴露面积增大，围岩出现应力集中，锚杆支护作用逐渐减弱。模型3的围岩位移量变化趋势整体较为平稳，没有随着上采高度的增加而增大。矿柱对围岩开采的支撑效果明显，位移峰值仅为0.45 mm左右。模型中挖掉的部分形状保持较好，说明在模型开挖过程中，开采扰动对采空区的影响较小，围岩未发生滑落。

由图5可知：模型1各测点在矿体开挖过程中，位移量变化较大，且最大位移变化量达0.85 mm；模型2的各测点相较于模型1，位移量变化趋势较缓，最大位移变化量仅为0.8 mm；模型3底部1号测点的垂直位移量基本无变化，随着上采不断推进，2、3号测点的位移变化量仅为0.25 mm。由此表明，矿柱对控制板裂状围岩稳定性的效果是明显的，锚杆对围岩的支护略有作用。

3个模型的顶板、上盘和下盘围岩的垂直位移量变化曲线如图6所示。由图6可知：模型3的顶板、上盘和下盘位移量均远小于模型1和模型2，可见矿柱+锚杆支护对板裂状围岩稳定性的控制效果远优于普通留矿法；同时，模型2在前4个上采阶段，上下盘及顶板的位移量均明显小于模型1，可知锚杆的支护对控制围岩的稳定发挥了作用，然而随着上采高度的不断增加，采场出现应力集中，锚杆失去了作用。由于本模型的几何相似比为1∶100，所以在图中模型1顶板的位移量为1.1 mm左右，在实际中就相当于围岩移动了11 cm，这就很有可能导致地压灾害的发生。