三山岛金矿软破介质下残柱开采的稳定性分析.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 3 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ4 E E R I N G V 0 1 ．3 3 №4 A u g u s t2 0 1 3 三山岛金矿软破介质下残柱开采的稳定性分析① 刘志义，赵国彦，周韬，王泽伟，彭康 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为确保三山岛金矿顶底残柱安全高效回采，采用理论力学与数值模拟对散体下顶底残柱开采过程进行了稳定性分析。建 立了理论力学模型，应用修正普氏拱理论计算了进路顶部荷载，采用数学力学解析法对不同规格的进路在开挖过程中的承载层进 行了内力分析，得出了进路开采半宽和承载层厚度之间的拟合函数，进而得出了不同跨度进路顶板需预留原岩的最小安全厚度。 应用A B A Q U S 软件对不同规格进路的开挖过程进行了塑性变形和顶板应力分析，得出了进路的合适采高及预留原岩的安全厚度， 以及不同跨度的进路顶板冒落规模，从而得到采场进路宽和高分别为1 ．5n l 和1 ．6i n 。将理论力学分析和数值模拟分析的结果应 用于三山岛金矿残柱的开采中，并对采场沿脉巷道进行位移监测，能确保试验采场安全生产。 关键词残矿回采；充填体；顶底残柱；数值计算；稳定性分析 中图分类号T D 8 5 3文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 4 0 0 0 5 0 6 S t a b i l i t yA n a l y s i so fR e m n a n tP i l l a r sR e c o v e r yu n d e rW e a kR o c k i nS a n s h a n d a oG o l dM i n e L I UZ h i - y i ，Z H A OG u o y a n ，Z H O UT a o ，W A N GZ e - w e i ，P E N GK a n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a ，4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t F o re f f e c t i v e l ys t o p p i n gr e m n a n tr o o fa n db o t t o mp i l l a r si nS a n s h a n d a oG o l dM i n e ，t h es t a b i l i t ya n a l y s i sw a s c o n d u c t e df o rt h er e c o v e r yp r o c e s so fr e m n a n tp i l l a r su n d e rw e a kr o c kb yu s i n gt h e o r e t i c a lm e c h a n i c sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s ．A f t e rt h ec o m p u t a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h et h e o r e t i c a lm e c h a n i c s ．t l l em o d i f i e d n a t u r a la r c ht h e o r yw a sa p p l i e dt oc a l c u l a t el o a do nt h et o po ft h ea c c e s sa n dt h ei n t e r n a lp r e s s u r eo ft h el o a d e dl a y e ri n t h ec o u r s eo fm i n i n gw a sa n a l y z e df o rt h ed i f f e r e n ta c c e s sw i t hm a t h e m a t i c a la n a l y t i c a lm e t h o d ．Af i t t i n gf u n c t i o n b e t w e e nt h eh a l fw i d t ho ft h em i n i n ga c c e s sa n dt h et h i c k n e s so ft h el o a d e dl a y e rw a se s t a b l i s h e d ．o b t a i n i n gt h e m i n i m u ms a f et h i c k n e s so ft h er e s e r v e do r i g i n a lr o c kr e q u i r e do nt h er o o fo ft h ea c c e s sw i t hd i f f e r e n ts p a n ．T h ep l a s t i c d e f o r m a t i o na n dr o o fs t r e s sw e r ea n a l y z e dw i t hA B A Q U Ss o f t w a r ef o rd i f f e r e n ta c c e s s e sd u r i n gt h ee x c a v a t i o np r o c e s s ，t h e p r o p e rm i n i n gh e i g h tf o rt h ea c c e s sa n dt h es a f et h i c k n e s so ft h er e s e r v e do r i g i n a lr o c k ，a n dp o s s i b l er o o fc a v i n gf o rt h e a c c e s sw i t hd i f f e r e n ts p a nw e r ea l lc o n s e q u e n t l yc a l c u l a t e d ．I tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ew i d t ha n dh e i g h to fa c c e s st ot h e s t o p ea r e1 ．5m a n d1 ．6m ．r e s p e c t i v e l y ．R e s u l t sf r o mt h e o r e t i c a lm e c h a n i c sa n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s w e r ea p p l i e di n t ot h er e m n a n tp i l l a r sr e c o v e r yi nS a n s h a n d a oG o l dM i n ew i t hd i s p l a c e m e n tm o n i t o r e di nt h ea l o n g v e i n w o r k i n g s ，s h o w i n gs a f ep r o d u c t i o ni nt h et e s t e ds t o p ec a nb ee n s u r e d ． K e yw o r d s r e m n a n to r er e c o v e r y ；b a c k f i l l i n gm a t e r i a l s ；r e m n a n tr o o fa n db o t t o mp i l l a r ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ； s t a b i l i t ya n a l y s i s 矿产资源是国家生产的重要基础材料，随着经济 飞速发展，矿石需求急速增长⋯。然而在矿床的开采 过程中，由于各种原因，在大多数采矿方法中留下各种 各样的矿柱⋯。目前很多矿山都开始关注残矿资源 的二次回收，特别是当深部开采面临技术上或经济上 难以克服的困难时，矿山将会更多地转向残矿资源的 二次开采[ 2 。3 ] 。然而残矿的开采技术条件极为复杂， 是当今采矿技术的一大难题[ 4 ] ，尤其是软破介质中的 残矿开采条件则更为复杂，不仅周围环境不稳定，而且 顶底板容易塌陷，巷道施工以及采矿方法的设计均与 常规开采不同N 叫1 。因此如何回收回采过程中留下的 矿柱、顶底柱以延长矿山服务年限、保证矿山的可持续 ①收稿日期2 0 1 3 - 0 2 - 1 7 基金项目国家自然科学基金项目资助 5 0 9 3 4 0 0 6 ；“小榄智造”创业奖励金项目 1 1 X L l 2 ；米塔尔学生创新创业项目 1 1 M X 2 1 作者简介刘志义 1 9 8 7 一 ，男，山西朔州人，硕士研究生，主要从事采矿工程研究工作。 万方数据 6 矿冶工程第3 3 卷 发展成为研究课题之一。 山东黄金集团三山岛金矿是我国第一个海下采矿 的矿山一J ，随着矿山大规模开采，上部大量矿房和中 段回采结束，中段之间存留有数量可观的顶底残柱，根 据矿山开采设计，直属矿区顶底柱高3 ．0m ，采场中未 用特殊处理的水泥尾砂胶结充填，其直接顶板为普通 尾砂充填体，强度很低，普通进路法开采存在顶板太 薄、上覆充填体强度太低、残矿回采安全隐患严重、资 源难以回收等技术难题。本文针对该条件下顶底残柱 建立理论模型和数值模型进行稳定性分析，确定合理 的进路结构参数，确保顶底残柱安全高效回采。 1 理论模型建立与分析 1 ．1 顶底柱荷载分析 俄国学者普罗托奇扬科诺夫教授1 9 0 7 年提出计算 松散介质中地压的“自然平衡拱理论”即普氏理论认 为0 | ，在采场开采后，采场顶部会形成自然平衡拱，在 这个拱内矿岩的重力即为作用在顶板承载层的荷载。 三山岛金矿直属矿区3m 厚顶底残柱采用上向小 进路充填法开采，根据普氏理论，在进路预留原岩层上 部的尾砂充填体内将产生一自然平衡拱，拱体内的尾 砂体重力即为作用在进路上方预留原岩层上的荷载。 普氏理论所假设的条件是在松散介质中，侧压系 数A 0 ⋯J 。故在松散介质中自然平衡拱是围绕巷道四 周而自行封闭的椭圆环，拱线与巷道的位置如图1 所示。 图I 修正普氏拱示意图 其拱线方程为 乏 乇半 1 1 将条件0 2 2 A b 2 2 ，Y 0 ，戈 1 ，Y 2 b ，石 l 2 b t a n 0 ， 戈 o ，Y 2 b b 。代人式 1 ，得 I b , m 万6 t 2 2 6 2 k 堕业半 式中b 。为冒落拱高；0 为塌落角，9 了“ I T 一等；9 为岩体 内摩擦角；A 为侧压系数，A 0 ～1 。 将n 2 以2 m 2 ，A 0 ．5 ，2 b M ，妒 3 0 。代人式 2 ，得 t f 6 l 加 挣2 竽⋯秘一‰ 【m 争 扣 式中f 为开挖进路半宽；肘为开挖进路高度。 所以，施加在原岩层上的荷载q 为拱内松散体重 力和原岩层自身重力，即 q y h 7 ’a b l 4 式中y 为矿体的容重，7 2 ．7x1 0 4N ／m 3 ；y ’为充填体 的容重，y ’1 ．9 1 0 4N ／m 3 ；h 为预留原岩层高度。 1 ．2 结构力学模型的建立 根据开采设计建立如图2 所示的模型，顶板荷载 为q ，进路宽为2 f ，高度为M ，预留原岩厚度为h ，弹性 模量为E ，进路侧帮弹性为吃、‰。 图2 进路结构力学模型 图2 中开采进路上方的预留原岩作为承载层，所 受主要荷载是散体施加的垂直荷载q 。根据进路开采 过程预留原岩的受力特征，结合实际情况，对该模型进 行假设①进路侧帮矿体和顶板预留原岩在屈服破坏 之前为线弹性体，其本构方程为盯 E e ；②预留原岩 受均布压力q 。 1 ．3 模型力学分析 1 ．3 ．1 承载层的挠曲方程 1 当一z ≤z ≤f 时，承载层的挠曲方程为 形 戈 万1 { 去吼 戈一f 4 吉 ％ ∥ - - z 3 f 眠 7 “ o 了19 砷 石一z 2 一 i l [ M o 訾％ 掣∥】∽f 万方数据 第4 期刘志义等三山岛金矿软破介质下残柱开采的稳定性分析 五l [ M o 半死 簪川 5 2 当z l 时，承载层的挠曲方程为 职戈 面17 叫川’[ 一似 r o Z i 1 吼c 2 幽 a 一z 坞f 1 a d T 。, 掣吼z c o s 出_ f ] 6 3 当并 1 区I 司的承载层弯矩 由式 6 可得 帅 D 嘤堕 e - a x - 1 [ 眠 死“如， c o s a 戈- f 眠 掣瓦 掣∥ s i n m - f ] 令堕掣0 ，得 一出吉一【面而恭‰] 经分析知，z l 时，在戈 z 。即图3 中的A A ’截面 上，假顶弯矩有极大值 帅。 e - a x a - 1 [ 眠 掣％ 絮∥ s i n 仅 硝一z M o ％f P 1 z 2 ‘ c 。s 仅 ％一f 】 9 3 z a 訾 { 1 1 通过分析可知，当届 O t 时 M 戈。 1 ，即在 该结构中，最大弯矩出现在距离进路左壁为t 。处的承 载层中，即B ．B ’截面。 由材料力学和弹性力学可知 M 。。。 』l f 菇。 盯。。∞ 去酽盯。。。 1 3 式中∞为抗弯模量。 根据矿山矿岩物理力学性能参数可知，其抗拉强 度和抗压强度之间存在如下关系 [ 盯。] 南[ O “ c ] 要使进路顶部承载层不至于发生破坏，必须满足 M 。。。≤[ 矿，] 即 ‰。 南[ 盯。] 1 4 将式 4 、 1 0 、 1 3 代入式 1 4 可得矗．z 的拟合 函数为 h 0 ．3 2 8 1 2 1 ．3 1 l 0 ．0 6 1 5 将数据代人式 1 5 可得直属矿区顶底残柱进路 参数，见表1 。由表1 可知，随着进路跨度的不断增 加，需要预留原岩的厚度不断增加，即开挖进路的高度 不断减少。因此，选择合适的进路结构参数对顶底残 柱安全高效回采是至关重要的。 表1直属矿区顶底柱进路参数 2 数值计算分析 2 ．1 岩石物理力学参数 三山岛金矿矿体由黄铁绢英岩化碎裂岩与黄铁绢 英岩化花岗质碎裂岩组成，两种矿岩的岩性呈渐变关 系，矿化连续。矿体上盘围岩为绢英化碎裂岩、绢英岩 化花岗质碎裂岩，矿体下盘为黄铁绢英岩化花岗质碎 裂岩或黄铁绢英岩化碎裂岩【1 3 。1 5J 。矿岩硬度系数／ 6 ～1 4 靠近F 1 断层的矿岩硬度系数f 4 ～6 ，属半 坚硬岩石。通过对直属矿区矿岩进行取样测试及充填 体强度试验测试，可知三山岛金矿直属矿区矿岩和充 填体物理力学参数，如表2 所示。 表2 矿岩和充填体力学参数 2 ．2 计算模型的建立 模型采用平面应变有限元分析，应用A B A Q U S 里 的二阶平面应变单元C P E 8 R ，采用缩减积分法计算分 析。为了充分减弱边界条件对计算仿真产生的影响， 模型的两边取巷道尺寸的5 倍，平面应变长度为2m 。 开挖进路左侧和底部为充填体，右侧和顶部为未开挖 矿体，计算模型如图4 所示。 散体均布荷载 图4 计算模型 根据表1 中顶底柱进路开采结构参数，考虑矿体 安全经济高效回采，模拟进路宽度取1 ．3 、1 ．4 、1 ．5 、 1 ．6m ，进路高度取1 ．4 、1 ．6 、1 ．8 、2 ．0m 。针对不同宽 度和高度的进路进行数值计算。 2 。3 计算模型分析 2 ．3 ．1 塑性变形分析计算不同规格进路的顶板塑 性变形，分析各工况塑性变形可知，同一宽度的进路随 着高度的不断增加，进路顶板塑性区不断发展变大，同 一高度的进路随着跨度的不断增大，进路顶部塑性区 也不断扩大。当进路高为1 ．4 ，1 ．6 和1 ．8m 时塑性区 没有贯通，计算收敛，而进路高为2 ．0m 时塑性区贯 万方数据 第4 期刘志义等三山岛金矿软破介质下残柱开采的稳定性分析 通，计算不收敛；当规格为1 ．4m 1 ．8m 、1 ．5mX1 ．6 m 、1 ．6m 1 ．4m 宽高 的进路左上角开始出现小 规模塑性区，标志着顶板开始冒落；进路顶部塑性区在 进路高度为1 ．6m 时开始出现并小规模发展，当进路 高度为1 ．8m 时顶板矿体顶部塑性区大规模扩大；进 路右上角塑性区在巷道高为1 ．6m 时开始出现且规模 较小，当进路高为1 ．8m 时右上角塑性区扩大，左上角 开始出现塑性区。 由上述分析可知，开挖进路塑性变形区主要有3 处，分别为进路右上角处，进路左上角处和顶板矿体顶 部。其中进路右上角出现塑性应变是因为该处处于尖 角，发生应力集中现象；进路左上角处和顶板矿体顶部 出现塑性变性区是由于进路左侧充填体的弹性模量明 显小于进路右侧的矿体，导致进路顶部矿体发生整体 “s ”形变形，在较小的曲率半径外侧发生拉伸塑性变 形 见图5 。 进尺左上角塑性区 图5进路顶板变形与塑性区示意图 2 ．3 ．2 应力分析计算各不同规格开挖进路顶板最 大主应力，分析同一跨度下不同采高的进路最大主应 力，并将其依次绘制。图6 为进路宽为1 ．4 和1 ．5m 时不同采高的最大主应力。 ■ 生 ＼ R 捌 州 妖 瑶 日 生 ＼ - R 趟 槲 妖 略 进路跨度方向顶板节点／m 图6 不同采高进路顶板最大主应力 a 宽1 ．4m ； b 宽1 ．5m 由图6 可知，顶板有两处最大主应力接近或超过 矿体的抗拉强度，分别为顶板离右帮6 ～1 0e m 处和顶 板离左帮5e m 处，最大主应力达到或接近抗拉强度 时，预留原岩发生开裂，顶板将发生冒落现象。 分析同一采高不同跨度进路顶板最大主应力，并 将其绘制。图7 为采高1 ．6m 时不同跨度进路顶板最 大主应力。由图7 可知，当采高一定时，随着进路跨度 不断增加，进路顶板发生冒落的范围不断增大。 目 生 ＼ R 倒 州 妖 略 进路跨度方向顶板节点／m 图7 采高为1 ．6m 时不同跨度进路顶板最大主应力 根据上述分析划分不同巷道宽度的冒落区范围如 表3 所示。由表3 可知，随着巷道宽度变大，冒落区范 围也变大，冒落区所占巷道的比例也随之变大，当巷道 宽度为1 ．4m 时，冒落区所占巷道的比例达到1 ／4 ；当 巷道宽度为1 ．5m 时，冒落区所占巷道的比例达到 1 ／3 ；因此，从防止顶板冒落的角度来看，要求巷道宽度 越小越好。 表3 不同宽度进路冒落区规模 3 成果应用 将以上分析计算结果应用于三山岛金矿的生产实 践之中。为了更充分地检验上述采场结构参数应用效 果，选择残矿开采的脉内沿脉巷道作为试验巷道，对巷 道顶板进行了长期的现场监测。 根据收敛计的量测值，采用半参数回归分析法对 其误差进行消除，所得的脉内试验巷道顶板下沉量的 监测数据如图8 所示。 从实测结果可以看出，沿脉巷道受采动和原岩应 力场的影响，变形量较小，顶板下沉量不超过5m m ，顶 板不发生破坏。因此，当进路宽1 ．5m 、高1 ．6m 时， 采场回采安全。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 昌 量 ＼ 型 蛙 仁 蜷 娶 量 暑 ＼ 迥 蛙 k 辎 匿 量 E ＼ 迥 蛙 k j 毫； 娶 量 量 ＼ 遥 蛙 k 辎 匿 图8 顶板下沉岩移量及累计岩移量与时间的关系 a 断面①； b 断面②； C 断面③； d 断面④ 4 结论 通过理论力学和数值模拟对不同规格的进路进行 分析，并将计算结果应用于试验采场中，通过现场试验 得出如下结论 1 随着进路开挖，预留原岩顶部的全尾砂充填体 内产生一自然平衡拱，拱体内的尾砂体重力即为作用 在进路上方预留原岩层上的荷载。随着开挖进路跨度 增大，平衡拱的拱高不断增大，预留原岩的荷载不断 增加。 ． 2 当开挖进路一侧为充填体一侧为矿体时，顶板 最大主应力发生在矿体侧帮的顶板中，因此在对开挖 进路支护过程中要加强对矿体侧帮顶板的支护。 3 通过现场监测，当进路宽1 ．5m 、高1 ．6m 时， 顶板不发生破坏，采场回采安全。该进路规格可应用 于三山岛金矿其他残矿回采的采场。 参考文献 [ 1 ] 周崇仁．矿柱回采与空区处理[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 8 9 ． [ 2 ] 朱昌玉．采空区矿柱安全回采技术与实践[ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 7 1 5 7 1 5 9 ． [ 3 ]樊名玉．上向连续进路尾砂充填法回采顶底柱的采场稳定性分 析[ J ] ．中国矿山工程，2 0 0 7 ，3 6 3 1 7 - 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