劉建坤

(沈陽鑫博工業(yè)技術(shù)股份有限公司)

隨著淺部礦產(chǎn)資源的不斷開采，現(xiàn)有資源已不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，在近期或不久的將來，深部礦體的開采必將成為未來的趨勢(shì)[1-2]。深部開采中，巖體在高地應(yīng)力條件下，由于內(nèi)部積聚大量應(yīng)變能，回采過程中會(huì)突然釋放，即發(fā)生巖爆現(xiàn)象。當(dāng)開采深度達(dá)到800～1 000 m即進(jìn)入深部開采，南非大部分礦山開采深度已達(dá)到千米以上，最深達(dá)到4 000多m，為了有效的防治巖爆的發(fā)生，南非礦山均采用充填采礦法，有效地改善了深部巖體應(yīng)力的突然釋放。充填采礦過程中，充填體作為開挖后回填介質(zhì)抑制圍巖變形，同時(shí)，圍巖對(duì)充填體進(jìn)行擠壓，充填體內(nèi)部就積聚了一定的變形能，圍巖與充填體之間存在能量交換。1966年Cook和Hoek等[3]在研究南非金礦深部開采巖爆問題時(shí)提出了能量釋放率的概念，同時(shí)提出了巖爆發(fā)生的次數(shù)以及規(guī)模與井下開采過程中平均能量釋放率密切相關(guān)，平均能量釋放率越大，發(fā)生巖爆的概率就越大，因此能量釋放理論在地下工程中的應(yīng)用將日益廣泛。謝和平院士在文獻(xiàn)[4-5]中討論了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強(qiáng)度和整體破壞的內(nèi)在聯(lián)系，文中指出巖石的變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結(jié)果，能量耗散使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生損傷破壞，能量釋放則是造成巖石突然破壞的內(nèi)在原因。

在彈性情況下，采場(chǎng)圍巖釋放的能量依賴于采場(chǎng)的閉合體積，采場(chǎng)圍巖中儲(chǔ)存的能量依賴于采場(chǎng)采出的體積，充填體受圍巖的壓縮發(fā)生變形，充填體吸收圍巖釋放的能量同樣與體積有關(guān)[6]。本文根據(jù)能量原理，通過對(duì)巖體和充填體單位體積釋放或吸收的變形能進(jìn)行研究，對(duì)充填體與圍巖之間的能量交換進(jìn)行分析，最后通過數(shù)值模擬驗(yàn)證效果。

本文以三山島金礦為例，運(yùn)用能量原理對(duì)其深部采場(chǎng)中充填體與圍巖的能量釋放規(guī)律進(jìn)行分析研究。根據(jù)三山島金礦情況，該礦三期工程即-420 m以下采場(chǎng)已進(jìn)入理論意義上的深部開采，地壓現(xiàn)象嚴(yán)重，三山島金礦針對(duì)-555 m中段553#采場(chǎng)進(jìn)行采礦方法研究，采用房柱交替上升式機(jī)械化盤區(qū)上向充填采礦法回采，本文將針對(duì)該采礦方法對(duì)深部開采采場(chǎng)能量釋放規(guī)律進(jìn)行研究，旨在為深部礦山開采提供指導(dǎo)。

1 礦山巖性及工程地質(zhì)

該礦區(qū)為近海岸地下開采的礦山，礦體傾角緩，斷裂構(gòu)造發(fā)育，近礦圍巖多不穩(wěn)定，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等-復(fù)雜。影響巖體穩(wěn)定性的主要因素為各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、斷裂帶及附近巖石受擠壓而破碎。這種巖體的能量釋放極容易引起掘進(jìn)及開采時(shí)產(chǎn)生塌方或大規(guī)模的冒頂。

2 巖體能量釋放分析

巖體在地應(yīng)力場(chǎng)的作用下，內(nèi)部?jī)?chǔ)存了彈性應(yīng)變能，在巖體被開挖后，將會(huì)釋放一部分能量[7]。礦巖開挖前處于一個(gè)穩(wěn)定的地應(yīng)力場(chǎng)，處于彈性狀態(tài)，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量采用下式描述[8-9]：

-2μ(σ1σ2+σ1σ3+σ2σ3)] ,

(1)

式中,μ為巖體泊松比；E0為巖體彈性模量，GPa；σ1為原巖應(yīng)力最大主應(yīng)力，MPa；σ2和σ3為原巖中間應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)蔡美峰等對(duì)地應(yīng)力測(cè)量的研究[9]，發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力分布規(guī)律為線性分布，與深度大致呈線性關(guān)系，即

σ=a+bH,

(2)

式中,σ為原巖應(yīng)力，MPa；a為截距，m；b為斜率；H為深度，m。

將式(2)代入式(1)中，即可得到根據(jù)地應(yīng)力分布特征的原巖儲(chǔ)存能量的計(jì)算公式，該公式能很好地表征巖體中能量的分布。根據(jù)喬蘭等[10]采用應(yīng)力解除法對(duì)三山島金礦深部礦體地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量分析結(jié)果，可知三山島金礦地應(yīng)力分布規(guī)律：

水平應(yīng)力為

σx=0.87+0.023H，

(3)

σy=0.81+0.044 9H.

(4)

垂直應(yīng)力為

σz=0.28+0.025 5H.

(5)

將地應(yīng)力分布規(guī)律代入式(1)中，得到三山島金礦巖體彈性變形能密度公式為

+1.491 4-2μ(0.002 764 15H2

+0.119 545H+1.175 1)] .

(6)

不同開采深度彈性應(yīng)變能密度曲線見圖1?？梢钥闯?，隨著開采深度的不斷增大，巖體彈性應(yīng)變能密度也不斷增大，則在開采過程中巖體釋放的能量也愈來愈大；對(duì)于不同性質(zhì)的巖體，彈性模量越大，也就是巖體剛度大，則在開挖過程中釋放的能量越小。

圖1 不同開采深度彈性應(yīng)變能密度曲線

3 數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)三山島金礦553#采場(chǎng)的開采技術(shù)條件，建立FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算模型，針對(duì)深部采場(chǎng)回采過程中巖體的能量釋放規(guī)律進(jìn)行分析。如圖2所示，553#盤區(qū)劃分成8個(gè)采場(chǎng)，2#、4#、6#、8#采場(chǎng)為第一步回采采場(chǎng)，1#、3#、5#、7#為第二步回采采場(chǎng)，一二步交替上升分層回采，回采安全步長(zhǎng)為11.5 m，每分層回采高度為2.5 m，控頂高度為4.0 m，每一步回采完畢后接頂充填。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

在模擬計(jì)算過程中，假設(shè)接頂質(zhì)量良好，在每次模擬充填完畢后，運(yùn)算5 000步模擬充填體的固結(jié)形成強(qiáng)度的過程。根據(jù)彈性力學(xué)理論，運(yùn)用FISH語言編寫了彈性應(yīng)變能密度的計(jì)算程序，回采過程中巖體的彈性應(yīng)變能密度云圖見圖3，由于篇幅有限，這里只顯示第一步回采、充填過程中的彈性應(yīng)變能密度云圖。

圖3 彈性應(yīng)變能密度云圖

每一步開挖后與充填后巖體的彈性應(yīng)變能密度的變化情況見表1及圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)，未充填時(shí)，隨著開挖體積的增大，彈性應(yīng)變能密度呈指數(shù)增長(zhǎng)，充填后巖體的彈性應(yīng)變能密度較未充填時(shí)降低了很多，較好地控制了地壓，保證了采場(chǎng)的安全穩(wěn)定開采。

表1 充填前后彈性應(yīng)變能密度變化情況

4 結(jié) 論

(1)隨著開采深度的不斷增大，巖體釋放的能量隨之增大；巖體的彈性模量越大，即剛性越大，彈性應(yīng)變能密度越小。

(2)深部開采過程中，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，通過減小開挖體積，同時(shí)降低充填后巖體的彈性應(yīng)變能密度來控制地壓，能夠有效地保證采場(chǎng)安全穩(wěn)定。

圖4 不同開挖過程彈性應(yīng)變能密度變化曲線