不规则大采空区不稳定区域研究 | [PDF全文] |
空场法开采目前在我国仍广泛应用,空场法开采将遗留下采空区,采空区地压问题是矿山开采中重要安全问题[1-2].采空区处理是消除大规模地压隐患,保障开采安全的重要手段.采空区处理方案的确定需要对采空区稳定性作出评价,尤其是要确定关键不稳定性区域,以便制定合理的采空区处理方案[3-4].
某金银矿经过多年开采,目前已形成暴露面积约为0.8万m2,体积约为9.5万m3不规则大采空区.为了保护矿产资源,避免地压灾害,确保此采空区周围的安全作业.有必要确定采空区的不稳定区域,并进行地压处理.
确定不规则大采空区的不稳定区域,现场监测虽然真实、可靠,但周期长、工作量大、成本也高;理论分析与经验公式计算简单易行,但很多复杂的地质特征被忽略或简化,解决工程问题误差较大[5].数值模拟与相似模拟结合应用则可以弥补上述不足[6-7].结合某金银矿工程实例,采用数值模拟和相似模拟试验相结合的研究方法,首先对不规则大采空区进行了数值模拟研究,得到采空区围岩位移及应力分布情况,在此基础上,进行了相似模拟试验,分析了采空区围岩变形、破坏规律,最后确定此采空区的不稳定区域,为地压处理方案提供了科学依据.
1 工程背景金银矿目前已形成高度约80m,顶板斜长约100m的不规则大采空区,此采空区标高从50~166m,贯通154m、132m、111m、94m、78m等中段.顶板跨度及暴露面积比较大,影响空区周围安全作业.考虑到安全兼顾经济利益,需确定不稳定区域并进行处理.矿体围岩主要是中细粒花岗岩.围岩与矿体力学参数见表 1.
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2 数值模拟
根据矿山实际资料,建立了8节点四边形单元二维有限元模型.模型长200m,高60m,节点19642个,单元28571个.在模型左、右两边施加水平约束,底边施加垂直方向约束.
有限元计算结果及分析.先施加覆土层自重载荷,然后开挖.此类不规则大空区顶板破坏主要形式是拉应力破坏.X方向(水平方向)的应力云图与位移矢量图见图 1、图 2.
从X方向的应力云图可知空区的顶板及底板都存在相对较大的拉应力,根据位移矢量图可以清楚显示94m中段的顶板下沉位移最大.底板有向上的位移,推断底板可能出现微量的底鼓.根据空区顶板处的拉应力相对较大及位移量最大,是最先出现破坏的位置,可以初步确定94m中段位置是此空区的不稳定区域.
3 相似模拟试验有限元数值模拟适用于弹塑性介质,无法模拟顶板变形、开裂、垮塌破坏发展全过程[8-9].因此,借助相似模拟试验[10]可以准确判断开挖过程中顶板最先冒落的位置.这对不稳定区域的确定具有参考依据.
3.1 试验装置及测量手段试验采用ZYDL-YS120/100岩体平面相似模拟试验系统,模型尺寸:长×宽×高=2000mm×300mm×1200mm.该系统能控制竖向均布载荷和水平载荷,其中最大竖向载荷120kN(最大应力0.2MPa),最大水平载荷100kN(最大应力为0.25kN),变形范围5~80mm.模型表面贴有BE120-5AA胶基应变片,通过BZ2205C静态电阻应变仪进行变形测量.
3.2 模型设计采空区的平面应力模拟,需满足几何相似、容重相似、应力相似,具体选取如下:
(1)选取几何相似比为1:300,即:
其中LH为实际尺寸;LM为模型尺寸.
根据现场空区大小与几何相似比,确定了模型尺寸.模型尺寸见图 3.
(2)由于岩石围岩的平均容重为2.6t/m3,而模型材料的容重大约为1.7t/m3,故容重相似比为:
其中γH为实际容重;γM为模型材料容重.
(3)应力相似比可由几何相似比和容重相似比计算得到,其具体表达式为:
根据应力相似比计算实际值与模型应力值见表 2.
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相似材料由分级尾砂和水泥组成.试验前对不同浓度不同灰沙比的试样进行了单轴抗压强度试验.最终选定重量比为1:25的水泥与尾砂作为相似模拟材料,其抗压强度为0.142MPa.
为了解模型在开挖过程中空区的变形规律,本试验采用应变片进行变形测量.根据数值模拟位移云图,选择最佳应变测量位置.应变片布置及对应中段图,见图 4.
3.3 试验过程
试验过程中加压系统加载32.5kN的压力,相当于原型的覆岩层的垂直应力,稳定压力后进行开挖.开挖过程中应变仪每分钟采集一次数据.空区完全形成后,模型无明显的破坏,继续加载至77.79kN,空区垮塌,在此过程中了解模型破坏的规律.
3.4 试验结果及分析模型空区形成后继续加载过程中,12#应变片位置(即94m中段顶板)首先出现裂纹,见图 5.裂纹宽度1mm左右,长度8.7cm左右.继续加载,25#、26#应变片位置(即132m中段至154m中段中间位置)出现宽度1.2mm左右,长度约10mm的裂纹.随后在不同位置的表面及空区内侧出现裂纹,继续加载,15#应变片位置的空区内侧(即94m中段顶板)首次出现小块体冒落.紧接其它位置也出现块体冒落,直至完全压垮,见图 6.
对应变值进行统计整理,分中段把应变片在相同方向的应变作为纵坐标,对应的载荷值作为横坐标,作在同一张图上,从而相互对比确定不同中段的相对变形.部分中段载荷应变图,见图 7~图 12.
94m中段在垂直方向上9#、11#测点由受压变为受拉.由此看出开挖完成后9#测点处存在微量底鼓,11#测点顶板处有微量下沉.13#测点由受拉变为受压,继续加载,又变为受拉.在水平方向上16#测点开始处于受拉状态,而后一直处于受压状态,应变基本不变.14#和18#测点均一直处于受拉状态,变化趋势相近,应变开始一直增大,到达峰值后逐渐减小.由此可见水平方向也向空区变形,测点在加载后期均有进入塑性破坏的趋势.
111m中段在垂直方向上,只有在15#测点即该中段底板附近应变比较大外,在其他测点应变微小,19#测点在空区形成阶段有明显受压增大趋势,但在后期增加荷载期间受压减小直至变为受拉,17#测点变形相对比较小.在水平方向,18#测点应变较大,后期进入塑性破坏,16#和20#测点在开挖阶段应变有明显的增大趋势,但是随后实验中均有减小的趋势,其中16#一直受压,20#一直受拉.
132m中段在垂直方向上应力变化趋势一致,由受压变为受拉,在开挖阶段均有受拉增大趋势,但后来又随着荷载逐渐增大,19#和23#应变稳定,25#测点变形一直增大.在水平方向变化趋势一致,除在开挖阶段有明显应变增大趋势,后阶段都有减小趋势,但20#一直处于受拉状态,24#和26#由受拉变为受压状态,其中24#测点变形较大.
4 结论采用数值模拟与相似模拟2种方法来确定某金银矿采空区不稳定区域.技术上可优势互补,结果上可相互印证,不失为一种理想的分析手段.通过2种方法分析得出了以下主要结论:
(1)数值模拟结果显示:94m中段顶板位置位移量最大并存在较大的拉应力.相似模拟试验结果显示:该区域最先出现裂纹及块体冒落,并最先垮塌.由此可以确定该区域为不稳定区域.地压处理时,应优先考虑此区域.
(2)开挖过程中围岩不仅在竖直方向往空区变形,水平方向也向空区变形,底板存在微量底鼓,这都与现场实际相吻合.不规则采空区同一位置开挖过程中受力状态不同,不同位置的受力状态也不同.
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