程潮铁矿充填体下部崩落采场稳定性分析_许梦国.pdf

程潮铁矿充填体下部崩落采场稳定性分析 许梦国 1， 2 谭涛 1， 2 程爱平 1， 2 王平 1， 2 李丹峰 1， 2 杨洋 1， 2 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081; 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要程潮铁矿西区计划将矿柱回收采场由充填法转为崩落法开采， 原充填采场结构复杂， 造成其下方围 岩应力分布不均， 不利于开挖采准巷道的稳定性， 故需对巷道开挖前后的围岩应力分布特征进行研究。采用室内 相似模拟试验和数值模拟相结合的方法， 分析了采准巷道开挖前后的围岩应力分布规律及巷道稳定性。研究表 明 ①由于原充填采场矿房矿柱采用间隔布置形式， 导致其下方围岩应力分布紊乱， 采准巷道开挖后局部存在拉应 力， 且应力集中现象明显； ②充填采场下方围岩压应力达到崩落体下方的2倍， 巷道开挖面临较高且不均匀的应力 分布环境， 可采取锚杆联系链技术进行支护， 目前该支护方法在现场试验中已达到预期效果。研究结果对于程潮 铁矿下一步开拓工程施工有一定的指导意义。 关键词地下开采崩落采场充填采场巷道稳定性数值模拟相似模拟试验锚杆联系链技术 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-014-07 DOI10.19614/ki.jsks.201905003 Stability Analysis of Caving Stope under Filling Body in Chengchao Iron Mine Xu Mengguo1， 2Tan Tao1， 2Cheng Aiping1， 2Wang Ping1， 2Li Danfeng1， 2Yang Yang1， 22 （1. School of Resourse and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China; 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractThe mining of pillar recovery stope of the west area of Chengchao Iron Mine is planned to be changed from filling to caving .The complex structure of the original filling stope results in uneven stress distribution of surrounding rock beneath it， which is not conducive to the stability of the quasi-excavated roadway.Therefore， it is necessary to analyze the stress distribution of surrounding rock before and after the excavation of the roadway.The of indoor similari- ty simulation experiment and numerical simulation are used to study the stress distribution regularity of surrounding rock and the stability of roadway before and after excavation.The study results show that①due to the interval arrangement of the ore pil- lars in the original filling stop， the stress distribution of the surrounding rock is disordered， and the tensile stress exists locally after the excavation of the mining roadway， and the stress concentration phenomenon is obvious;②the pressure stress of sur- rounding rock under the filling stope is twice as high as that under the caving body， and the excavation of the roadway is facing a high and uneven stress distribution environment， the bolt connecting chain technique can be adopted to support， at present， the support has reached the expected perance in the field test.The above study results have guiding reference for the construction of the next development engineering of Chengchao Iron Mine. KeywordsUnderground mining， Caving stope， Filling stope， Roadway stability， Numerical Simulation， Similar simula- tion experiment， Bolt connecting chain technique 收稿日期2019-03-11 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604195） ， 湖北省自然科学基金项目 （编号 2018CFC818） 。 作者简介许梦国 （1958） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。通讯作者谭涛 （1996） ， 男， 硕士研究生。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 在地下开采中， 由于特殊的围岩条件或生产要 求， 矿山会面临2种采矿方法并存的情况， 产生了地 压分布不均、 应力集中、 地表沉降等一系列问题， 给 矿山带来了严重的安全隐患。近年来， 大量学者分 别采用相似模拟试验、 数值模拟、 理论分析等方法对 上述问题进行了研究。裴明松等 ［1］采用相似模拟试 验方法研究了联合开采导致的地表沉降问题； 谭玉 叶等 ［2］通过相似模拟试验研究了矿柱及围岩的变形 采矿工程 14 ChaoXing 规律； 张开新等 ［3］结合数值模拟方法研究了联合开采 导致的地表沉降问题； 为确保金山店铁矿采场安全， 梅甫定等 ［4］采用数值模拟方法对崩落法和充填法之 间衔接层的合理厚度进行了优选； 现阶段夏甸金矿 采用崩落法和充填法联合开采， 为确保联合开采交 错区采场稳定， 彭剑平等 ［5］通过FLAC3D数值模拟分 析， 对采场地压分布规律进行了研究， 确定了合理的 预留矿柱宽度； 曹帅等 ［6］构建了二维离散元模型对采 空区上覆岩层的冒落形式及规律进行了分析； 胡兴 浪等 ［7］研究了程潮铁矿崩落法和充填法同时开采时 巷道群的稳定性， 并对回采顺序进行了优化； 徐文斌 等 ［8］通过极限平衡法建立了充填矿柱的安全系数方 程， 从理论上分析了崩落采场下方充填矿房失稳原 因； 刘艳章等 ［9］基于π定理研究了过渡采场顶柱的合 理尺寸以保障采场稳定。总体上， 现阶段对采场稳 定性的研究方法较为单一， 所研究的工况主要集中 于同一水平的2种采矿方法和不同水平的崩落采场 转充填采场方面， 对于充填采场下方转崩落法开采 引起的采场稳定性问题的研究较为薄弱。 程潮铁矿西区在-375 m水平由充填法开采转为 崩落法开采， 原充填采场结构复杂， 已充填的矿房和 未采矿柱相间布置， 造成下方崩落采场地压分布不 均匀， 局部应力高度集中， 对开挖的采准巷道安全造 成了威胁。本研究采用相似模拟试验和数值模拟相 结合的方法， 对采准巷道开挖前后的围岩应力分布 规律进行研究， 并提出相关支护措施来确保采准巷 道稳定， 为确保崩落采场采准巷道安全生产提供参 考。 1工程概况 程潮铁矿是一座位于鄂东地区采用崩落法和充 填法联合开采的矿山。矿区以15勘探线为界分为东 西2个采区， 矿体分布见图1， 矿体上下盘围岩主要为 大理岩和花岗岩。东区采矿方法为无底柱分段崩落 法， 西区采场为了保障地表选矿厂安全而留下了大量 的保安矿柱， 矿柱内矿石采用充填法进行回收。随着 开采范围和深度的增加， 目前矿山计划将原选矿厂进 行搬迁新建， 故保安矿柱不再保留， 在-375 m水平以 下由充填法恢复为生产效率高、 成本低的无底柱 分段崩落法进行开采， 西区开采现状如图 2 所示。 图2中， 崩落散体附近的Ⅲ、 Ⅴ矿体-375 m水平以 上为预留保安矿柱， 采用充填法开采， 其中-375 m水 平上方充填法开采的矿房、 矿柱宽度均为10 m， 下方 崩落法采准巷道间距为15 m， 首采分段水平为-410 m。本研究主要针对-375～-410 m水平开挖的崩落采 场稳定性进行研究。 2相似模拟试验 2. 1模型构建 根据程潮铁矿西区实际工况， 选取沿矿体走向 的典型剖面 （图3） 构建相似模拟模型。 断面中岩体的构造应力远小于自重应力， 忽略 不良地质体的影响。试验制作的模型处于平面应力 状态， 前后均无约束。自重应力场由相似材料的重 量施加， 构造应力由型钢模型试验架在水平方向上 为保持其竖直状态而作用于模型上的反力产生。 根据现场矿岩参数确定相似材料的强度参数， 结果见表1。按1 ∶ 600比例作为几何相似比， 构建了 一个尺寸为1.5 m1.15 m0.2 m （长高宽） 的模 型。根据相似理论， 选取河沙、 重晶石粉、 石膏和铁 矿粉作为相似原料， 通过正交对比试验确定最终满 足要求的配比方案， 见表2。相似模拟试验的应力相 似常数Cσ、 几何相似常数Cl和密度相似常数Cρ分别为 许梦国等 程潮铁矿充填体下部崩落采场稳定性分析2019年第5期 15 ChaoXing 780、 600和1.3 ［10］， 参数取值满足下式 Cσ CρCl 1.（1） 注 将与上盘大理岩配比相同的试样破碎为适当块度作为崩落 散体。 根据图3， 在相似材料配比完成后， 依次加水搅拌 均匀倒入模中进行浇筑， 待成型后拆除模型板在常温 下养护至模型完全风干， 静置3 d使其达到稳态。 2. 2监测方法及测点布置 巷道开挖会破坏岩体原有的应力分布状态， 使 得巷道围岩中发生应力重新分布， 引起巷道围岩变 形。在相似模拟中， 为了记录采准巷道在开挖前后 围岩发生的变形， 采用应变片监测围岩应变变化值， 围岩变形导致对应于应变仪上的通道数值发生改 变。在应力变化大的区域上， 应变片变形较大， 该通 道显示的数值也会随之变大。应变值为正值时表示 拉伸变形， 负值表示压缩变形。 待相似模型固结后， 按照开采方案在首采水平 上的每个待开挖巷道上方选取监测点并进行编号， 编号由左至右依次增大。在选取的监测点上按照标 准方法依次粘贴应变片， 选取的应变片型号为 BX120-20AA， 基底尺寸为 26 mm5.1 mm（长 宽） 。通过焊接导线使应变片与应变仪相连， 待接线 完毕后， 开启静态应变仪， 检查各个通道是否正常， 确认无误后开始试验， 如图4所示。 2. 3试验过程及结果分析 开始试验时， 首先开启静态电阻应变仪， 平衡通 道后开始采集数据； 然后对预先标记编号的测点进 行钻孔， 模拟崩落法采矿中巷道采准工作， 钻孔完毕 后， 应变仪继续采集数据， 记录下巷道采准过程中周 边围岩的变形情况。将模拟采准过程中采集的数据 进行处理， 剔除一部分应变片损坏通道数据后， 选取 充填采场下方和崩落散体下方典型的应变片数据进 行分析， 结果如图5、 图6所示。 由图5、 图6可知 巷道开挖过程中， 上部围岩应 变大致经历了 “平静陡升波动下降平静” 的过 程， 巷道开挖前， 整个模型处于稳定状态， 待开挖巷 道上方应变值处于0附近， 表明原岩应变应力场处于 平衡状态， 随着开挖的进行， 原岩应力场发生破坏， 金属矿山2019年第5期总第515期 16 ChaoXing 应力开始调整， 各个通道应变值急剧变化， 但由于钻 孔距离的远近， 不同通道的应变峰值不完全同步， 出 现了一定的迟滞性， 数值上也产生了一定的差异。 同时由于巷道上方分别为充填采场和崩落散体， 上 覆岩体的差异导致各个通道的应变值也各不相同。 结合图4、 图5、 图6分析可知 钻孔施工由左至 右依次进行，A1点最先受到模拟巷道开挖的影响， 对 应的应变不断增大， 随着第一个巷道开挖的进行，A1 点应变也达到了峰值； 临近的A2点和崩落散体下方 的A13、A14点受到开挖扰动， 但由于距离开挖巷道较 远， 应变值相对较小； 随着第2个巷道开挖的进行，A2 点应变也逐渐增大， 直至达到峰值，A1点距离第2个 开挖巷道较近， 受第1个和第2个巷道开挖的共同影 响， 原岩应力场不断调整并发生重新分布， 应变不断 上下波动， 距离较远的A13、A14点受到的影响较小， 对 应的应变值也处于较低水平； 当开挖继续推进时， A13、A14点处的应变值逐渐变大达到峰值； 当巷道开挖 完毕后， 4个测点的应变值逐渐下降， 最终稳定于不 同水平， 不恢复到初始状态， 表明巷道开挖后， 上部 岩体发生了形变。同时， 上覆岩体的不同导致了4个 点处的应力分布也存在一定差异A1、A2点处由于上 覆为矿体与大理岩， 故应力较大， 从而导致变形较 大；A13、A14点处上覆岩体为崩落散体， 其下部岩体应 力较小， 对应的变形也较小。 综上分析可知 不同应力场对开挖的巷道造成 的影响不一致， 巷道围岩应力较大时， 开挖后巷道更 容易产生变形。 3数值模拟 3. 1数值模型构建 本研究采用 ANSYS 软件对巷道采准前后的应 力场变化进行数值模拟分析。根据图3， 构建的计 算模型尺寸为890 m640 m （长高） ， 将模型划分 为61 592个单元和30 999个节点。结合地质资料并 考虑节理缝隙等因素折算 ［11-13］得到的模型物理力学 参数见表3。 由于水平构造应力影响较小， 因此该模型下边界 为全约束位移边界， 上边界为自由边界， 左右两侧均 采用X方向约束， 受垂直向下的重力。该模型的研究 对象为岩体， 具有抗压强度远大于抗拉强度， 且受剪 时颗粒会膨胀的特点， 从中间应力角度选用Drucker- Prager准则进行计算较精确。其表达式为 ［14］ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ fI1, J2J2-aI1-k0 I1σ1σ2σ3 J2 1 6[ ] σ1-σ22σ2-σ32σ3-σ12 ， （2） 式中，I1应力张量第一不变量；J2应力偏张量第二不变 量； a、 k分别为在不同情况下与岩石相关系数相关的 材料常数；σ1、σ2、σ3分别为第一、 第二、 第三主应力。 3. 2采准巷道开挖前数值模拟结果 数值模拟计算得到的巷道开挖前岩体的应力分 布特征如图7所示。 由图7可知 整个数值模型主要受压应力， 其中， 原充填采场内矿柱主要起承载作用， 其压应力达到 11 MPa， 为充填体所受压应力值的6倍， 导致充填采 场下方围岩应力分布不均匀。充填采场下方围岩和 崩落散体下方围岩应力值存在较大差别， 即充填采 场下方隔离层的压应力为9.14～11.4 MPa， 崩落散体 下方隔离层的压应力为4.57～6.85 MPa， 前者约为后 者的2倍。可见， 在充填采场下方开挖巷道会面临复 杂的应力环境， 是造成采场不稳定的主要原因。 3. 3采准巷道开挖后数值模拟结果 数值模拟计算得到的巷道开挖后岩体的应力分 布特征如图8、 图9所示。 由图8、 图9可知 无论在充填采场下方还是在崩 落散体下方， 采准巷道的顶角处都出现了应力集中 现象， 充填采场下方的围岩应力大于崩落散体下方 许梦国等 程潮铁矿充填体下部崩落采场稳定性分析2019年第5期 17 ChaoXing 的围岩应力， 与相似模拟试验结果一致； 在充填采场 下方的矩形采准巷道的拱顶处产生了约0.4 MPa的 拉应力， 而散体下方的巷道顶部几乎不存在拉应力。 出现应力集中的原因为采准巷道开挖导致围岩 原始应力发生变化， 破坏了原有的三向平衡受力状 态， 在地应力作用下， 采准巷道两帮的围岩都处于较 大的压应力环境中， 随着围岩与巷道中心距离的增 加， 帮部岩体的切向主应力由最大集中应力逐渐减 小， 直至与原岩应力相同， 径向主应力从0逐渐增加 至原岩应力。矩形巷道顶部处于最大拉应力状态， 随着围岩向深处发展， 拉应力逐渐减小， 最终转变为 压应力， 直至原始应力状态； 顶部的径向压应力从0 逐渐增加至原始应力。在矩形巷道顶角部出现了更 明显的压应力集中现象。 由于充填采场围岩与崩落散体的容重等性质存 在差异， 导致下部矿体的围岩应力存在差异。巷道 采准改变了局部应力分布， 但对整体应力分布没有 较大影响。从局部应力重分布特征来看， 在充填采 场下方的采准巷道由于巷道开挖导致顶部的压应力 减少， 向两帮转移， 围岩中的压应力增大， 对巷道产 生了挤压破坏， 在顶部产生了一定的拉应力， 越靠近 两帮的顶角压应力越大， 同时两帮又受到径向压应 力， 综合造成了崩落采场矩形采准巷道在顶角处的 应力集中。矩形巷道的4个顶角压应力集中且顶底 板处于受拉区， 极易造成顶板下沉、 底板臌出。随着 巷道顶底板破坏的加剧， 将会使应力转移到巷道两 帮， 加剧了两帮的压剪破坏 ［15］。因而有必要对崩落 采场 （尤其是充填采场下方的崩落采场） 的采准巷道 进行有计划的支护和监测。 4工程实例 目前， 程潮铁矿在崩落采场中采用锚喷支护和 喷锚网支护， 选用规格为ϕ18 mm1 800 mm的摩擦 锚杆， 排距为 900 mm， 网筋直径为 6.5 mm， 网度为 250 mm250 mm， 喷层厚度为80 mm。现场实践中， 喷锚网支护不仅成本高， 而且产生了喷层脱落、 喷锚 网钢丝显露并与矿体分离甚至断裂等问题 （图10） ， 导致锚杆相互之间失去联系， 形成独立支护， 许多巷 道在掘进后需要进行补强支护方可确保爆破作业安 全顺利进行。西区-375 m充填采场下方的巷道围岩 应力更复杂， 应力不均问题更明显， 一般的支护方案 无法取得良好效果， 需要增强支护的整体性来防止 爆破前顶板冒落与片帮事故的发生。本研究在现场 施工中采用锚杆联系链支护技术 ［16］， 将原有砂浆锚 杆的尾部结构改变为 “L” 形或 “T” 形， 使得锚杆相互 之间通过锚杆联系链联合起来实现整体受力， 将锚 杆、 锚杆联系链和混凝土喷层三者进行有机结合提 高围岩的支撑能力 （图11） 。在支护工艺上采用 “喷 联插喷” 模式， 巷道掘进后， 首先喷射一层混 凝土， 然后将锚杆安装进锚杆联系链， 随即将锚杆插 入围岩， 最后再喷射一层混凝土， 喷层厚度增加至 100 mm。锚杆联系链支护较喷锚网支护更便于施 工， 且节约支护成本， 在施工完毕后能够立即提供支 撑反力， 减小应力集中。 金属矿山2019年第5期总第515期 18 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 本研究对程潮铁矿充填采场下方经过上述支护 后的采准巷道进行了围岩变形监测， 结果如图12所 示。由图12可知 巷道拱顶的下沉速率逐渐降低， 在 25～30 d时趋于稳定， 两帮收敛速率比拱顶更早趋于 稳定， 拱顶下沉值和两帮收敛值分别为 203 mm 和 102 mm； 采用锚杆联系链支护后， 巷道在25 d左右达 到稳定， 且变形量在设计允许范围内。可见， 在充填 采场下方复杂应力环境下的巷道采用锚杆联系链支 护方案是可行的。 5结论 （1） 相似模拟试验表明， 程潮铁矿充填采场下方 巷道开挖后的围岩变形大于崩落散体下方的巷道围 岩变形； 数值模拟显示， 充填采场下方的围岩应力值 约为崩落散体下方围岩应力值的2倍， 且充填采场下 方围岩应力分布紊乱。两者分析结果具有相似性， 表明充填采场下方将要开挖的采准巷道处于应力较 高且分布不均匀的复杂环境中。 （2） 充填采场下方的采准巷道更容易产生变形 破坏， 巷道顶部存在拉应力且在其顶角处存在应力 集中， 开挖时为增强支护的整体性和提升支护强度， 可采取锚杆联系链技术进行支护， 并将喷层厚度增 加至100 mm， 以保障爆破作业安全顺利进行。 参 考 文 献 裴明松， 许梦国， 王平， 等.程潮铁矿两种采矿方法并存下地表 变形规律研究 ［J］ .金属矿山， 2015 （12） 148-152. 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