賈住平,王堃,王能躍
(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州 貴陽 550023;2.北京科技大學(xué), 北京 100083;3.貴州錦豐礦業(yè)有限公司, 貴州 黔西南州 562204)
上向進(jìn)路式水平分層膠結(jié)充填采礦法以其生產(chǎn)能力強(qiáng)、機(jī)械化程度高等特點(diǎn),在破碎、難采、高價(jià)值礦體的開采中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。錦豐金礦采用該采礦方法結(jié)合無軌機(jī)械化采掘,伴有巷道尺寸較大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、風(fēng)化作用強(qiáng)烈、巖體強(qiáng)度較低以及自穩(wěn)能力差等較多不良條件,深部回采進(jìn)路中,底鼓、片幫及冒落等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象嚴(yán)重。另外,錦豐金礦地應(yīng)力測量研究[1]表明:隨著開采深度的增加,水平最大主應(yīng)力顯著增大,已達(dá)到垂直應(yīng)力的1.5倍以上,充填假頂下采礦進(jìn)路穩(wěn)定性問題愈發(fā)突出。
目前,運(yùn)用數(shù)值模擬對巷道、采空區(qū)構(gòu)建無限接近現(xiàn)場的理論模型,能較好的對巷道和采空區(qū)穩(wěn)定性做分析研究,具有經(jīng)濟(jì)高效、操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。劉曉明、羅周全等[2]提出將Surpac與Phase2耦合構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了對冬瓜山銅礦采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析;韓斌等[3]采用FLAC軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了對金川二礦區(qū)多中段機(jī)械化盤區(qū)回采順序的優(yōu)化。此外,還有許多國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用各類數(shù)值模擬軟件針對礦山實(shí)際問題作了大量的研究。
由加拿大Rocscience公司開發(fā)Phase2軟件是一個(gè)專門模擬地下巖體開挖工程的應(yīng)力及應(yīng)變的二維有限元軟件。與其他數(shù)值模擬軟件相比,該軟件具有建模簡單、網(wǎng)格劃分容易和后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn),尤其可以模擬礦體的開采以及開采后對周圍巖體及巷道工程的影響,優(yōu)化回采順序,分析巷道、采空區(qū)穩(wěn)定狀況[4-7]。針對錦豐金礦 230中段充填假頂下采礦進(jìn)路穩(wěn)定性問題,本文運(yùn)用Phase2軟件開展對該中段巷道穩(wěn)定性分析與評價(jià),分別模擬從西到東、從兩邊到中間及從中間到兩邊的回采順序?qū)ο锏婪€(wěn)定性的影響,為今后同類礦山的回采順序的選擇提供參考依據(jù)。
貴州錦豐金礦位于黔西南貞豐縣境內(nèi),屬于典型的斷控型卡林金礦,其礦床規(guī)模為超大型,礦體主要賦存于控礦斷層F3、F2及F6斷層破碎帶內(nèi),礦區(qū)內(nèi)出露地層主要有中三疊統(tǒng)邊陽組(T2by)、尼羅組(T2nl)和許滿組(T2xm),邊陽組以灰色薄至中厚層狀、厚層狀(少許塊狀)細(xì)砂巖、粉砂巖、雜砂巖為主,夾灰色薄至中厚層狀粘土巖,是礦區(qū)的主要賦礦地層。礦體走向長約 1100 m,寬12 m~60 m,垂向延伸超過1000 m,礦體傾角較陡,為48°~86°。貴州錦豐地下礦采用斜坡道開拓,上向分層膠結(jié)進(jìn)路式采礦,按垂高60 m劃分為一個(gè)中段,垂高20 m劃分為一個(gè)分段,采礦進(jìn)路斷面尺寸為4.5 m×5.0 m。
當(dāng)回采到230W2#采場第 4層礦體時(shí),其上方為250 m中段采場充填假底,且該采場上方從240 m水平以上至350 m水平均為充填體。膠結(jié)充填采用人工砂+尾砂按照1:4進(jìn)行混合添加適量水泥進(jìn)行,分為打底充填部分和接頂充填部分,打底充填體強(qiáng)度為3 MPa,厚3.0 m,接頂充填體強(qiáng)度為0.85 MPa,厚1.5 m。該采場礦體長約90 m,寬約30 m,巷道布置為垂向布置,即與礦體走向及上層充填假頂走向相垂直(見圖1)。
圖1 230W2#采場平面布置
由于該采場礦體較長,上方均為充填體,為確保采礦安全,需對該采場巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評估。本文主要采用 Phase2軟件對其不同回采順序進(jìn)行數(shù)值模擬,對不同回采順序下的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評估,以確定最佳回采順序。
根據(jù) 230W2#采場圍巖性質(zhì)、礦體性質(zhì)及上方充填體情況,確定參與數(shù)值模擬的介質(zhì)為4種,分別為圍巖、礦體、打底充填體(水泥摻量為20%)、普通充填體(水泥摻量為 10.5%),其力學(xué)參數(shù)見表1。
力學(xué)模型邊界條件均采用位移約束,對模型左右兩邊及底部進(jìn)行約束,頂部通向地表,設(shè)為自由邊界[8-9]。根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果,230W2#采場埋深約400 m,選擇埋深400 m時(shí)地應(yīng)力值,其中最大主應(yīng)力為10.6 MPa,傾角為9°,最小水平主應(yīng)力為5.5 MPa,垂直應(yīng)力為8.5 MPa,詳見表2。
根據(jù) 230W2#采場布置及上方充填情況,采場巷道尺寸為4.5 m×5 m,共15個(gè)采場,上方打底充填體厚度為3 m,普通充填體厚度為57 m,充填體總厚60 m。本次研究介質(zhì)假設(shè)為彈塑性材料,選用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,建立力學(xué)模型,如圖2所示。
表1 力學(xué)參數(shù)
表2 230W2#采場地應(yīng)力參數(shù)
本次研究從巷道穩(wěn)定性、采礦效率、可操作性等多方面進(jìn)行綜合評估,以確定最佳回采順序,回采順序按照3種方案進(jìn)行數(shù)值模擬,分別為:方案一,從西向東單向回采;方案二,從中間向兩邊同時(shí)回采;方案三,從兩邊向中間同時(shí)回采。
圖2 230W2#采場數(shù)值計(jì)算模型
利用Phase2建立計(jì)算模型,從巷道變形量、應(yīng)力分布、圍巖強(qiáng)度系數(shù)及屈服情況進(jìn)行整體評估。
采用從西往東(或從東往西)單向順序開采時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果顯示:位移最大區(qū)域出現(xiàn)在充填體與圍巖交界處,采場進(jìn)路頂板位移量較小,最大位移量出現(xiàn)在回采第13條進(jìn)路時(shí)的右上角區(qū)域,為12.5 mm;當(dāng)回采到第13條采礦進(jìn)路時(shí),采場上方充填體達(dá)到位移最大值為 20 mm,強(qiáng)度系數(shù)最小值為1.26,最大主應(yīng)力為22.5 MPa,出現(xiàn)在最后一條進(jìn)路回采后右下方區(qū)域。從模擬結(jié)果來看,除局部單元發(fā)生剪切或拉伸破壞外,按照該回采順序開采,進(jìn)路整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。為便于展示,僅羅列部分典型采場位移變化趨勢,見表3。
表3 方案一的從西向東單向回采位移量變化趨勢
從中間向兩邊同時(shí)回采時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果顯示:位移最大區(qū)域發(fā)生在充填體與圍巖交界處,最大位移量為20 mm,出現(xiàn)在步驟7中同時(shí)回采2、14號采場時(shí)。頂板位移量較從西往東單向開采時(shí)大,為14.5 mm,發(fā)生在步驟6回采3、13號采場時(shí),強(qiáng)度系數(shù)(Strength factor)最小值為1.58,最大主應(yīng)力為 18 MPa,出現(xiàn)在步驟 5中采場 5、11號回采后。頂部未出現(xiàn)單元破壞情況,采場整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬結(jié)果見表4。
采用從兩邊同時(shí)向中間回采時(shí),位移最大區(qū)域仍然發(fā)生在充填體與圍巖交界處,最大位移量為20 mm,發(fā)生在最后一步回采時(shí)。頂板位移量較其他2種方式小,最大為10 mm,發(fā)生在步驟3回采3、13號采場時(shí)。強(qiáng)度系數(shù)最小值為1.26,采場進(jìn)路頂部局部出現(xiàn)剪切破壞,但采場整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬結(jié)果見表5。
通過數(shù)值模擬對3種不同回采方式進(jìn)行逐步模擬分析,發(fā)生變形量較大的區(qū)域?yàn)槌涮铙w與圍巖交界處,進(jìn)路頂板位移量均較?。?0 mm~15 mm),進(jìn)路頂板局部發(fā)生剪切破壞,圍巖強(qiáng)度系數(shù)均大于1,模擬結(jié)果顯示3種回采方式下采場均處于穩(wěn)定狀態(tài)。
盡管不同回采方式下采場均處于整體穩(wěn)定狀態(tài),但是采用方案一和方案三的回采順序進(jìn)行開采時(shí),進(jìn)路頂板均出現(xiàn)了局部剪切破壞情況;且方案一和方案三的強(qiáng)度系數(shù)均低于方案二,即采用方案二開采時(shí)采場相對更穩(wěn)定。因此,從采礦作業(yè)安全性和采礦效率考慮,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,最終選擇方案二,即從中間同時(shí)向兩邊推進(jìn)的回采方式,為確保采礦作業(yè)安全,需要對采場進(jìn)行加固處理。
針對 230W2#采場局部剪切破壞及拉伸破壞區(qū)域,采用管縫式錨桿+掛網(wǎng)+濕噴混凝土的方式進(jìn)行加固(見圖3),主要參數(shù)如下:
管縫式錨桿:排間距1.2 m×1.2 m,錨桿長2.4 m,直徑47.5 mm,采用直徑為43 mm鉆頭鉆孔,抗拉拔力達(dá)到60 kN以上。
表4 方案二的從中間向兩邊回采位移量變化趨勢
表5 方案三的從兩邊向中間同時(shí)回采位移量變化趨勢
掛網(wǎng):采用2 m×4 m鋼筋網(wǎng),鋼筋直徑為5 mm,鋼網(wǎng)采用管縫式錨桿進(jìn)行固定,掛網(wǎng)區(qū)域主要為巖石破碎點(diǎn)。
濕噴混凝土:采用強(qiáng)度等級為C30混凝土進(jìn)行巷道圍巖表面支護(hù),噴漿厚度為80 mm,全斷面噴射混凝土,要求2 h早期強(qiáng)度達(dá)到1 MPa。
圖3 采場進(jìn)路圍巖支護(hù)(單位:mm)
230W2#采場按照從中間向兩邊同時(shí)回采,采礦過程中對巷道兩側(cè)采用噴錨網(wǎng)支護(hù),采用10.5%水泥添加全尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填,充填后養(yǎng)護(hù) 7 d,充填體強(qiáng)度達(dá)到0.35 MPa后回采下一條進(jìn)路,通過近半年的回采,直至全部礦體回采結(jié)束,采礦巷道及充填假頂處于穩(wěn)定狀態(tài),采礦效率較單向開采提高約65%。
通過對3種回采方式下的采場穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析,最終確定了最優(yōu)的采礦方式。
(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明,最大變形量出現(xiàn)在充填體與圍巖交界處,最大值為20 mm,巷道頂板變形量均較小,為10 mm~15 mm。
(2)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,確定最終回采方案為從中間向兩邊同時(shí)回采,實(shí)踐表明:該回采方式下巷道處于穩(wěn)定狀態(tài),且提高采礦效率約65%。
(3)結(jié)合230W2#采場圍巖實(shí)際情況,選用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+濕噴混凝土對采場進(jìn)行加固,實(shí)踐表明:加固效果良好,確保了采礦作業(yè)安全。