石膏礦房柱法開采鏟車道礦柱穩定性分析*

李洪,張雯婧,張雨婷,趙思龍

(山東科技大學 資源學院,山東 泰安市 271019)

0 引言

石膏礦目前普遍采用房柱法開采,開采后形成的大面積采空區上覆巖層主要靠留設的礦柱來支撐,礦柱的穩定性是影響采空區穩定的主要因素之一。近年來,針對房柱法開采礦柱的穩定性,國內學者已經做了大量的研究工作[1-3]。鄭彥濤等[4]通過理論計算,對房柱式開采條件下礦柱的承載穩定性進行了分析,并提出了最優的礦柱布置方案。孫萬明[5]結合礦柱失穩機理,采用極限強度理論和分載面積法等理論計算方法對礦柱穩定性進行了分析。王萬紅等[6]等運用3Dmine與FLAC3D 耦合建立三維數值計算模型,對房柱式采礦法的采空區礦柱受力進行了分析。李小雙等[7]通過室內相似模擬試驗,對房柱法開采下礦柱的穩定性進行了研究,并優化了采場結構參數。本文以汶陽石膏礦房柱法開采為工程背景,結合改用鏟裝工藝后的鏟車道布置方式,采用理論分析和數值模擬的方法,對鏟車道礦柱的穩定性進行分析,從而保證采區的作業安全。

1 工程概況

汶陽石膏礦位于泰安市大汶口石膏礦區,石膏賦存條件較好,礦段內地層為向斜構造,傾角為4°～7°。井田埋深為140～300 m,主采Ⅱ、Ⅲ礦層。Ⅱ礦層分為4個分礦層,其中Ⅱ-1、Ⅱ-4分礦層較薄,主采Ⅱ-2、Ⅱ-3 分礦層,合層開采,開采厚度為6～11 m,平均厚度為8.6 m,夾層厚度約為1.0 m,主要為泥巖和少許泥灰巖;Ⅲ礦層分為2 個分礦層,主采Ⅲ-2分礦層,開采厚度為6.5～10 m,平均厚度為8.2 m。Ⅱ、Ⅲ礦層層間距為15～25 m,水文地質條件簡單,無陷落柱及火成巖侵入。

礦井采用單水平上下山開采,開拓水平為-160 m,沿走向布置有-160 m 水平軌道大巷和-150 m水平總回風巷,大巷間距為20 m。開采方法采用房柱法,礦柱連續布置,各礦層間礦房礦柱重疊對齊,如圖1 所示。開采基本參數為:采房設計凈寬為4.0 m,凈高為3.0～4.0 m,采房間礦柱寬為5.0 m。采房與回風上下山間礦柱為15 m,最外側采房與軌道上下山間礦柱為20 m。

圖1 采掘礦房布置平面

2 鏟裝道的布置

自建礦以來,汶陽石膏礦采房工作面一直采用耙斗機耙裝礦石。隨著采裝設備的進步,該礦擬采用裝載效率更高的電動鏟運機裝載,而原有的區段巷道布置方式不適應鏟運機作業。為了適應鏟裝作業工藝,方便鏟車的出入,提高鏟裝效率,需要增加布置專門的鏟車道。根據汶陽石膏礦區房柱式開采的特點,鏟車道的布置主要有以下3種方式。

(1) 連續穿柱布置。鏟車出入切穿區段平巷保護礦柱,如圖2(a)所示。運用這種方式鏟車出入方便,但鏟車道和區段平巷間的礦柱尺寸較小。

圖2 鏟車道布置方式

(2) 間隔一個礦房穿柱布置。鏟車出入間隔一個礦房切穿區段保護礦柱和區段平巷聯絡,如圖2(b)所示。這種方式增加了鏟車道和區段平巷間礦柱的尺寸,但鏟車出入不穿越礦柱的礦房時需要拐彎折返。

(3) 間隔兩個及以上礦房穿柱布置。鏟車出入間隔兩個甚至更多個礦房切穿區段保護礦柱和區段平巷聯絡,如圖2(c)所示。這種布置方式進一步增加了鏟車道和區段平巷間礦柱的尺寸,但鏟車出入不穿越礦柱的礦房時,拐彎折返距離更大。

3 鏟車道礦柱穩定性理論分析

3.1 鏟車道布置基本參數

汶陽石膏礦在原區段平巷的上、下位置分別布置了一條鏟車道,其中區段平巷的寬度為4 m,高度為3.5 m,鏟車道寬度和高度均為4.5 m。礦井采用房柱法開采,其中礦房寬度為4 m,礦房間的礦柱寬度為5 m,采高4～5 m。Ⅱ礦層和Ⅲ礦層擬采用相同的鏟車道布置方式,對應于3種不同鏟車道布置方式的保護礦柱尺寸見表1。

表1 鏟車道保護礦柱尺寸

3.2 鏟車道礦柱受力穩定性分析

鏟車道礦柱的穩定性由礦柱自身的強度和上覆巖層荷載決定。鏟車道開挖后,鏟車道保護礦柱受力由三向受力狀態變為單向受力狀態,在保護礦柱單向受力狀態下,用承載面積理論[8]可以確定鏟車道礦柱的平均應力。該理論認為,礦柱所承受的荷載由采空區開挖前礦巖所承受的上覆荷載轉移而來;一個礦柱所支撐的面積范圍,包括位于其上方的巖層和其四周巷道(礦房)跨度一半的頂板巖層。如圖2所示紅色虛線框(顏色區分見電子版),鏟車道礦柱內部的平均應力可按下式計算 :

式中,σP為鏟車道礦柱平均應力,MPa;γ為上覆巖層的平均重力密度,取24 k N/m3;H為開采深度,m;a為礦房寬度,m;c為區段運輸平巷寬度,m;d為鏟車道寬度,m;B為鏟車道保護礦柱寬度,m;L為鏟車道保護礦柱長度,m。

將相關參數代入式(1)得到鏟車道保護礦柱內部的的平均應力,并按照式(2)計算出保護礦柱安全系數Fs,計算結果見表2。

表2 鏟車道保護礦柱受力計算

式中,Fs為安全系數;SP為鏟車道保護礦柱抗壓強度,MPa;σP為鏟車道保護礦柱平均應力,MPa。

根據表2計算結果可知,隨著開采深度的增加,鏟車道保護礦柱內部的平均應力也逐漸增大,但礦柱內部所承受的應力值均小于其抗壓強度值。當采用第1種鏟車道連續穿柱的布置方式時,Ⅱ、Ⅲ礦層鏟車道礦柱的安全系數Fs均小于1.5,有失穩的風險;當采用第2種和第3種鏟車道間隔穿柱的布置方式時,Ⅱ、Ⅲ礦層鏟車道礦柱的安全系數Fs均大于1.5,表明礦柱均是穩定安全的。顯然應盡可能地減少或避免采用第1 種連續穿柱的鏟車道布置方式。

3.3 鏟車道礦柱塑性破壞穩定性分析

研究表明,礦柱的應力不是平均分布的。礦柱四周邊緣部分,當其剛剛暴露時存在很大的集中應力,通常等于原始應力的2～4倍甚至更大,從而導致礦柱邊緣部分被破壞,保留殘余強度。隨著礦柱邊緣強度的降低,集中應力隨之向礦柱內部轉移,使得礦柱側邊遭受屈服[9-10]。若礦柱尺寸較小,礦柱兩側屈服區合而為一,則相互疊加的集中應力可能使此礦柱進一步破壞而失去承載能力,導致失穩。因此,礦柱要保持穩定,必須具有足夠的尺寸,使得礦柱中形成兩個區域:一個是礦柱周邊形成的塑性區,另一個是在礦柱中心部分被塑性區所包圍未受擾動的柱核區[11]。在塑性區,礦柱遭到不同程度的破壞,產生一定的流變,但由于塑性區的約束和支撐壓力區較高的側壓力的作用,提高了柱核區的強度,從而使柱核區基本上處于彈性變形狀態,使得礦柱穩定。在柱核區內礦體的強度可以表示為[12]:

式中,σ0為石膏的抗壓強度,MPa;σ3為作用在礦柱上的側向壓力,MPa;tgβ為三向應力系數,tgβ=φ為石膏的內摩擦角,(°)。

礦柱塑性區一側的寬度[13]為x0:

式中,x0為礦柱塑性區一側寬度,m;σb為礦柱周邊的殘余抗壓強度,取單軸抗壓強度σ的0.1 倍,MPa;q y為礦柱原巖應力,MPa;Δσ為應力集中導致的應力增量,MPa;K1為支承壓力峰值處的應力集中系數,取2～3;M為采房高度,取4.5m。

為了保持礦柱的穩定性,應保證有穩定的柱核區,即礦柱尺寸[14-15]:

式中,W為礦柱長度或寬度,m;(1～2)為柱核區寬度,m。

Ⅱ、Ⅲ礦層主要參數取值及礦柱尺寸計算結果 見表3。

表3 鏟車道礦柱塑性破壞穩定性分析

由表3可知,在最大采深情況下,只要保證Ⅱ礦層礦柱長度或寬度不低于4.9 m,Ⅲ礦層不低于4.48 m,就能保持礦柱的穩定性,也就是說鏟車道礦柱長×寬不低于5 m×5 m。而汶陽石膏礦鏟車道礦柱寬度均為7 m,鏟車道礦柱長度均不小于5 m。因此,鏟車道礦柱按塑性破壞理論分析是穩定的。但顯然第1種布置方式的鏟車道連續穿柱形成的獨立礦柱尺寸較小,應盡量減少或避免采用。

4 鏟車道礦柱穩定性數值模擬分析

4.1 數值模型建立

選取汶陽石膏礦某礦段建立FLAC3D 數值計算模型,如圖3所示。模型X正方向為正東方向,長100 m;模型Y正方向為正北方向,長100 m;模型Z正方向為豎直向上方向,高120 m。模型計算域邊界采取位移約束,即模型底部所有節點采用X、Y、Z三個方向的約束,X、Y平面采用Z方向約束,Y、Z平面采用X方向約束。

圖3 汶陽石膏礦某礦段計算模型

4.2 力學參數確定

本模型礦層巖性主要包括泥巖、泥灰巖、頁巖和砂礫巖,模型計算選取摩爾-庫侖強度準則。模型巖體物理力學參數見表4。

表4 模型的礦巖體力學參數

4.3 結果分析

由于礦房、礦柱重疊布置,且Ⅲ礦層和Ⅱ礦層鏟車道的布置方式相同,因此以Ⅲ礦層為例,對不同鏟車道布置方式下保護礦柱的應力和位移進行分析,以驗證保護礦柱的穩定性。

4.3.1 應力分析

3種不同的鏟車道布置方式下保護礦柱的應力云圖如圖4所示。對比3種鏟車道布置方式下的保護礦柱受力,可以發現礦柱內應力云圖的分布形式類似,它們的共同點是礦柱都受壓應力集中,且最大壓應力都分布在礦柱的中部。隨著保護礦柱長寬比的增大,礦柱所受最大壓應力逐漸減小,即第1種鏟車道連續穿柱的布置方式保護礦柱內部的最大壓應力最大,第2種次之,第3種最小。

圖4 不同鏟車道布置方式下保護礦柱應力云圖

4.3.2 位移分析

3種不同的鏟車道布置方式下保護礦柱的位移云圖如圖5所示。從圖5可以看出,無論采用哪一種鏟車道布置方式,整個礦段中間部分的保護礦柱較周圍其他部分礦柱會出現更大的位移變形。從計算數據來看,3種鏟車道布置方式礦柱的最大下沉量依次為14.2 cm、7.93 cm、6.96 cm。由于采房高度最大為5 m,而3種布置方式的最大下沉量均為10 cm 左右,因此,都不會產生全部垮落破碎的現象,但第1種鏟車道連續穿柱的布置方式下沉量最大,約為其他兩種布置方式的兩倍。

圖5 不同鏟車道布置方式下保護礦柱位移云圖

綜上所述,無論是從應力方面還是從位移方面分析,第1種鏟車道布置方式保護礦柱所承受的壓應力和位移的變化量均最大,因此,應盡量避免采用第1種連續穿柱的鏟車道布置方式。此外,3種不同的鏟車道布置方式對應著3種不同的保護礦柱截面尺寸,隨著鏟車道保護礦柱長度的增加,礦柱內部應力逐漸減小,位移變形量也逐漸減小。

5 結論

汶陽石膏礦為了適應鏟裝工藝,在區段平巷兩側布置鏟車道,在采留比保持在4 m×5 m 的情況下,根據鏟車道穿柱方式的不同,形成了3種不同的鏟車道布置方式,通過理論計算和數值模擬,對3種鏟車道布置方式保護礦柱的穩定性進行了分析,得到以下主要結論。

(1) 通過對鏟車道保護礦柱進行受力分析可知,第一種鏟車道布置方式保護礦柱內部的平均應力較大,安全系數較低,穩定性較差;第2和第3種鏟車道布置方式穩定性較好。

(2) 通過對鏟車道保護礦柱進行塑性破壞分析可知,第1種布置方式鏟車道連續穿柱形成的獨立礦柱尺寸較小,穩定柱核區的范圍也就較小,不利于保持礦柱自身穩定。

(3) 對鏟車道保護礦柱穩定性進行數值模擬分析表明,第1種鏟車道布置方式相比于第2種和第3種布置方式,其保護礦柱所受的壓應力值最大,位移變形量也最大,穩定性最差。