大汉石膏矿深部开采合理间柱宽度研究与应用.pdf

第３３卷第３期２０１９年５月山东理工大学学报自然科学版ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎＶｏｌ.３３Ｎｏ.３Ｍａｙ２０１９收稿日期２０１８０６１５基金项目山东省自然科学基金项目ＺＲ２０１６ＥＬ０６ꎻ山东理工大学博士科研启动基金项目４０４１４１３０４６ꎻ４０４１４１４０２５第一作者李海洲ꎬ男ꎬ２７５５９６９６６＠ｑｑ.ｃｏｍꎻ 通信作者张璐ꎬ女ꎬｔｍｑ１００６＠１６３.ｃｏｍ文章编号１６７２－６１９７２０１９０３－００４７－０４大汉石膏矿深部开采合理间柱宽度研究与应用李海洲１ꎬ 郑怀昌１ꎬ 张璐２１. 山东理工大学资源与环境工程学院矿山工程技术研究所ꎬ 山东淄博２５５０４９ꎻ ２. 山东理工大学建筑工程学院ꎬ 山东淄博２５５０４９摘要兰陵石膏集团大汉矿－５２０ｍ深部地压显现明显ꎬ爆破震动对巷道围岩损伤程度逐渐加重ꎬ出现变形增加、劈裂的现象ꎬ以原设计采场结构参数采宽６ｍꎬ采高１５ｍꎬ采长２０ｍꎬ留设６ｍ间柱进行开采难以满足安全生产的要求ꎮ 在实测爆破震动波速的基础上ꎬ应用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件ꎬ对大汉石膏矿－５８０ｍ水平深部采场稳定性进行动力学分析ꎮ 结果表明ꎬ在矿房尺寸不变的情况下ꎬ留设６ｍ、８ｍ间柱时ꎬ在静力及爆破震动影响下ꎬ间柱均出现较大范围的剪切破坏区域ꎮ 严重影响采空区的稳定性ꎻ留设１０ｍ间柱时ꎬ围岩无明显损伤区域ꎮ 因此推荐合理间柱宽度为１０ｍꎬ经过现场实验及位移监测ꎬ得到了较好的安全效果ꎬ对此类矿山深部安全开采具有一定的指导意义ꎮ 关键词石膏矿ꎻ 深部开采ꎻ 间柱宽度ꎻ 数值分析ꎻ 应用实验中图分类号ＴＤ３１３＋.３文献标志码ＡＤｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｎＤａｈａｎｇｙｐｓｕｍｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇＬＩＨａｉｚｈｏｕ１ꎬ ＺＨＥＮＧＨｕａｉｃｈａｎｇ１ꎬ ＺＨＡＮＧＬｕ２１. ＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｚｉｂｏ２５５０４９ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｚｉｂｏ２５５０４９ꎬ ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔＧｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇａｐｐｅａｒｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｔ－５２０ｍｉｎＬａｎｌｉｎｇＤａｈａｎｇｙｐｓｕｍｍｉｎｅａｎｄｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｄａｍａｇｅｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬ ｃａｕｓｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬ ａｎｄｔｈｅｓｐｌｉｔｐｉｌｌａｒ. Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｉｎｉｎｇｗｉｄｔｈ６ｍꎬ ｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ１５ｍꎬ ｌｅｎｇｔｈ２０ｍꎬ ｃｏｌｕｍｎ６ｍａｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ. Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍｅａｓｕｒｅｄｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙꎬ ＦＬＡＣ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｍｉｎｉｎｇｆｉｅｌｄｓｔａｂｉｌ￣ｉｔｙｏｎ￣５８０ｍｌｅｖｅｌ. Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎꎬ ｃｏｌ￣ｕｍｎｐｒｏｄｕｃｅｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｚｏｎｅａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｓｔｉｌｌａｒｉｓｋｏｆｐｉｌｌａｒｓｐｌｉｔｗｈｅｎｔｈｅｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｓ６ｍｏｒ８ｍ. Ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｌｕｍｎｉｓｓｅｔｕｐａｓ１０ｍꎬ ｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｈａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｄａｍａｇｅａｒｅａꎬ ｓｏｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｓ１０ｍ. Ｔｈｒｏｕｇｈｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬ ｇｏｏｄｓａｆｅｔｙｅｆｆｅｃｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄꎬ ｗｈｉｃｈｈａｓｃｅｒｔａｉｎｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｍｉｎｅｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｙｐｓｕｍｍｉｎｅꎻ ｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇꎻ ｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈꎻ ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓꎻ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ石膏矿的开采已逐渐由浅部开采过渡到深部开采ꎬ地压显现越来越明显ꎬ加之爆破震动的影响ꎬ常常会引起岩石损伤与失稳[１￣５]ꎬ因此适用于浅部开采的采留比参数已不适合深部开采ꎮ 本文针对大汉石膏矿开采现状ꎬ应用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件ꎬ考虑爆破动力响应ꎬ模拟计算大汉石膏矿－５８０ｍ水平深部开采合理统一的采留比ꎬ并结合现场实验及位移监测ꎬ对留设间柱宽度的合理性进行深入研究ꎮ １矿区概况兰陵石膏集团大汉矿矿区位于兰陵县西南苏鲁两省交界处ꎬ东北距离兰陵县城约２５ｋｍꎬ面积约２􀆱 ２ｋｍ２ꎬ矿层赋存于古近纪官庄群卞桥组第二岩性含膏岩系中ꎬ矿层围岩主要为泥岩、泥灰岩及含膏泥灰岩ꎮ 矿区矿层最大控制规模３８００ｍ８７５ｍꎬ埋深７５.２９５８９.７３ｍꎬ产出标高－４６.４９－５８５.３５ｍꎻ设计开采标高－２５３.８１－５８５.３５ｍꎬ矿层厚度１１.４３３０ｍꎬ平均厚度２３.５７ｍꎬ倾角４９ꎬ矿层平均品位７６.５３％ꎮ 矿区设计年生产能力６０万ｔꎬ采用留护顶层和护底层的浅孔房柱法开采ꎬ矿柱沿倾向宽６ｍꎬ矿房长２０ｍ、跨度６ｍꎬ采高约１５ｍꎬ设计留设５ｍ的护顶层和２ｍ护底层ꎬ目前正在开采－４９０ｍ水平ꎮ 在－５２０ｍ水平开拓过程中ꎬ地压显现明显ꎬ爆破震动对围岩造成严重损伤ꎬ巷道变形增加ꎬ并出现两帮局部劈裂现象ꎬ以原设计采场结构参数开采－５２０ｍ及以下深部矿体存在较高的安全隐患ꎮ ２深部开采方案及爆破震动测试结合矿体赋存条件和岩石物理力学性质ꎬ该矿深部开采技术上可行ꎬ经济上无明显劣势的采矿方法有３种浅孔房柱法、深孔房柱法、无底柱分段崩落法ꎮ 经过经济性比较及可行性研究ꎬ确定采矿方法仍采用浅孔房柱法ꎬ矿房跨度、采高不变ꎬ加大间柱宽度来控制围岩变形ꎬ并采用统一、合理的间柱宽度ꎮ 考虑采场爆破震动对围岩的影响ꎬ利用ＴＣ４８５０爆破测振仪在－４９０ｍ水平进行爆破测振ꎬ为动力学分析提供依据ꎮ 正常一次性工作面爆破时在矿柱距离爆破点约１０ｍ布置测点ꎬ分别测出垂直﹑水平﹑ 径向三方向数据ꎻ测点布设及监测如图１所示ꎬ测振数据见表１ꎮ 图１测振位置、设备及安装Ｆｉｇ.１Ｂｌａｓｔｉｎｇｔｅｓｔｌｏｃａｔｉｏｎꎬ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ表１采场爆破震动测量数据表Ｔａｂ.１Ｓｔｏｐｅｂｌａｓｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｄａｔａ组号爆心到测点距离/ ｍ装药量 / ｋｇ峰值振动速度/ ｃｍ􀅱ｓ－１垂直ｚ向分量水平ｘ向分量水平ｙ向分量１９.６６０.０１.９７８１.９２２３.３７９２１１.２６０.０１.８１７１.７４７２.８９４３９.１６０.０２.１３７１.８５４３.１２８４１０.４６０.０１.９３５１.８４９２.９７７平均值１０.７５６０.０１.９６７１.８４３３.０９５整理爆破监测数据ꎬ典型的爆破震动测试图如２所示ꎮ 因在深部－５２０ｍ开拓过程中发现巷道边帮出现明显的地压显现现象ꎬ为保证施工安全及顶板稳定ꎬ参考相关文献ꎬ对岩石强度参数按６６％进行折减[６－９]ꎮ 模拟计算采用折减后的岩石力学参数见表２ꎮ 图２典型爆破震动测试图Ｆｉｇ.２Ｔｙｐｉｃａｌｂｌａｓｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｄａｔａ８４山东理工大学学报自然科学版２０１９年表２折减后岩石试件物理力学参数Ｔａｂ.２Ｒｅｄｕｃｅｄｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｓ岩石抗压强度/ ＭＰａ抗拉强度/ ＭＰａ弹性模量/ ＭＰａ粘聚力/ ＭＰａ内摩擦角/ 比重 / ｇ􀅱ｍ－３顶板泥岩２０.８５１.９２５１３２.７９２６２.１６石膏２６.３２２.３７６６１６.２１２８２.４７底板泥岩２３.７８２.０５５３２３.２６２７２.２０利用ＦＬＡＣ３Ｄ软件建立数值分析模型模拟－５８０ｍ水平开采ꎬ模拟分析矿房宽度６ｍꎬ采高１５ｍ时留设间柱的合理宽度ꎮ 模型尺寸１００ｍ５０ｍ５０ｍꎬ计算模型如图３所示ꎮ 在模型顶部施加约１２ＭＰａ的均匀荷载模拟上部岩层重力ꎬ采用摩尔库仑准则分别计算矿柱宽度６ｍ、８ｍ、１０ｍ时开挖后及爆破震动影响下矿柱的位移与塑性区范围ꎬ为研究爆破震动对采空区整体稳定性的影响ꎬ爆破震动荷载以ｘ、ｙ、ｚ三向波速形式从模型底部输入ꎮ ３模拟计算结果及分析－５８０ｍ水平矿层ꎬ矿石中夹含泥岩ꎬ在潮湿图３ＦＬＡＣ３Ｄ数值计算模型Ｆｉｇ.３ＦＬＡＣ３Ｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ的环境下吸湿泥化ꎬ使得风化部分完全丧失承载能力ꎮ 因此在模拟过程中要求结果含有极少的塑性区甚至不含塑性区才能保证采场的安全ꎮ －５８０ｍ开采留设矿柱宽度６ｍꎬ８ｍꎬ１０ｍ时ꎬ 开挖后及爆破震动影响下模拟计算结果如图４图９所示ꎮ 留设矿柱宽度６ｍ时ꎬ受到较高原岩应力的影响ꎬ矿房开挖后间柱出现剪切破坏区域ꎬ爆破后ꎬ矿柱剪切破坏区域增加、甚至贯通ꎬ该矿柱宽度已不能保证采场及其围岩的稳定性ꎮ 留设矿柱宽度８ｍ时ꎬ矿房开挖后间柱也出现剪切破坏区域ꎬ但塑性区范围较６ｍ时有所减小ꎬ爆图４６ｍ间柱时矿房开挖后塑性区分布图Ｆｉｇ.４Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ６ｍｐｉｌｌａｒ图５６ｍ间柱时矿房开挖后爆破震动影响下塑性区分布Ｆｉｇ.５Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ６ｍｐｉｌｌａｒ图６８ｍ间柱时矿房开挖后塑性区分布图Ｆｉｇ.６Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ８ｍｐｉｌｌａｒ图７８ｍ间柱时矿房开挖后爆破震动影响下塑性区分布Ｆｉｇ.７Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ８ｍｐｉｌｌａｒ图８１０ｍ间柱时矿房开挖后塑性区分布图Ｆｉｇ.８Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ１０ｍｐｉｌｌａｒ图９１０ｍ间柱时矿房开挖后爆破震动影响下塑性区分布Ｆｉｇ.９Ｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｌａｓｔｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒ１０ｍｐｉｌｌａｒ９４第３期李海洲ꎬ等大汉石膏矿深部开采合理间柱宽度研究与应用破后ꎬ矿柱剪切破坏区域没有明显增加ꎬ该宽度下间柱仍然存在片帮的危险ꎮ 留设矿柱宽度１０ｍ时ꎬ矿房开挖后及考虑爆破震动状态下均没有出现明显的破坏区域ꎬ可见１０ｍ宽度的间柱可以保证采场的稳定性ꎮ ４现场实践与监测本计算结果首先在－５２０ｍ水平工作面进行应用实验ꎬ膏层埋深５００５２０ｍꎬ矿房净宽６.０ｍꎬ净高１５ｍꎬ间柱宽为１０.０ｍꎮ 回采结束后ꎬ选取该工作面矿房进行观测ꎬ利用顶板动态仪、巷道变形收敛仪等仪器对矿房进行变形观测ꎬ每５ｄ测量一次ꎬ观测结果见表３ꎮ 表３顶底板及矿柱位移监测Ｔａｂ.３Ｒｏｏｆ＆ｆｌｏｏｒ＆ｐｉｌｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ观测日期顶板下沉累计量/ ｍｍ底鼓累计量/ ｍｍ两帮移近累计量/ ｍｍ４.１１０００４.１６００１４.２１１１２４.２６１１２５.１１１２５.６２１３５.１１２２４５.１６２２５５.２１３２６５.２６３３７６.１４３７６.６４３７６.１１４３７矿房围岩变形曲线如图１０所示ꎬ矿井深部开采时采用本成果参数ꎬ即采房宽度６.０ｍꎬ膏柱宽度１０.０ｍꎬ护顶膏５ｍ、护底膏２ｍꎬ矿房顶板下沉量及顶底板移近量均较小ꎬ能够保证现场生产安全ꎮ ５结论１在实测爆破震动波速的基础上ꎬ 应用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件动力模块ꎬ对大汉石膏矿图１０矿房开采后围岩变形位移曲线Ｆｉｇ.１０Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｆｔｅｒｍｉｎｉｎｇ－５８０ｍ水平深部采场结构参数进行动态稳定性分析ꎬ 结果表明在矿房尺寸采宽６ｍꎬ采高１５ｍꎬ采长２０ｍ不变的情况下ꎬ留设６ｍ、８ｍ间柱时ꎬ在静力及爆破震动影响下ꎬ间柱均出现较大范围的剪切破坏区域ꎬ严重影响采场的稳定性ꎻ留设１０ｍ间柱时ꎬ 无明显损伤区域ꎬ因此推荐深部开采合理间柱宽度为１０ｍꎮ ２通过现场实验及位移监测ꎬ表明１０ｍ宽度间柱条件下实际应用效果较好ꎬ对石膏矿深部开采具有一定的参考价值ꎮ 参考文献 [１]杨小林ꎬ 侯爱军 ꎬ梁为民ꎬ等. 隧道掘进爆破的损伤机理与震动危害[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ ２００８ꎬ３３４４００－４０４. 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