充填采礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和地表移動變形機理研究

安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責任公司充填采礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和地表移動變形機理研究中冶北方工程技術(shù)有限公司中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程重點實驗室霍邱周集2014-08-21報告內(nèi)容一、礦區(qū)工程地質(zhì)特征二、礦區(qū)巖體物理力學(xué)性質(zhì)三、礦區(qū)地應(yīng)力測量四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化五、充填開采地表移動規(guī)律研究六、結(jié)論與建議一、工程地質(zhì)特征1、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造1、地處江淮平原地面海拔一般在+24.1～+35m之間，地形起伏較小。2、地臺的邊緣，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，從西往東多個褶皺帶。3、礦區(qū)地質(zhì)條件相對簡單，位于周集倒轉(zhuǎn)向斜的一翼，工程范圍內(nèi)成單斜構(gòu)造。4、礦區(qū)第四系覆蓋厚大，未發(fā)現(xiàn)破壞性較大的構(gòu)造。礦區(qū)巖層產(chǎn)狀在14線附近發(fā)生變化。5、霍邱群周集組：花崗質(zhì)片麻巖（Gg），黑云斜長片麻巖（Pl），礦巖（Fe），斜長云母片巖（Gmp），榴云片巖（Gmg）、斜長角閃片巖（Am）。150m一、工程地質(zhì)特征2、巖體結(jié)構(gòu)特征通過三維激光掃描獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，測量點為3個水平的穿沿脈，測點共21個。一組緩傾節(jié)理。40cm以下，跡長多在5m以下節(jié)理傾向(°)傾角(°)間距(m)全跡長(cm)1216750.26927138391.19673288770.35233.62764232160.89213.1142556650.91238.3046層面296680.181較發(fā)育一、工程地質(zhì)特征2、巖體結(jié)構(gòu)特征一、工程地質(zhì)特征構(gòu)造特征不利結(jié)構(gòu)面特征巖性特征節(jié)理特征單斜構(gòu)造，礦區(qū)巖層產(chǎn)狀相對比較未定霍邱群周集組，片巖、片麻巖和變粒巖，巖性復(fù)雜，除云母含量大的巖石力學(xué)條件差之外，其余巖體條件好未出露較大的斷層、擠壓帶等不利圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，有利于礦體的開采節(jié)理發(fā)育規(guī)模小而密集，但節(jié)理面干燥和粗糙，對井巷穩(wěn)定性有利二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—取樣巖石名稱聲波測速單軸試驗常規(guī)三軸劈裂結(jié)構(gòu)面直剪鐵礦(鐵英巖)Fe8263

黑云斜長片麻巖Pl-113373

黑云斜長片麻巖Pl-214383

榴云片巖Gmg8262

斜長角閃片麻巖Am10283

花崗質(zhì)片麻巖Gg4151

斜長云母片巖Gmp613

結(jié)構(gòu)面

6累計數(shù)631443156試樣發(fā)收二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—波速測試巖性取樣深度密度均值波速均值Fe-480m3101.66752.6Pl-1-390m2920.96127.9Pl-2-450m2880.76255.7Gmg-390m2751.35899.4Am-450m2810.85414.9Gg-390m2995.26051.0Gmp-480m2724.75627.0二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—巴西劈裂巖性試樣編號抗拉強度平均值礦體FeFe-B-18.04810.54Fe-B-210.344Fe-B-313.241黑云斜長片麻巖Pl-1Pl-1-B-19.9258.80Pl-1-B-25.929Pl-1-B-310.553榴云片巖GmgGmg-B-18.926.94Gmg-B-24.462Gmg-B-37.445斜長角閃片巖AmAm-B-19.9457.63Am-B-25.254Am-B-37.698花崗質(zhì)片麻巖GgGg-B-17.21310.36Gg-B-213.516斜長云母片巖GmpGmp-B-17.4887.49二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—單軸壓縮巖石單軸強度均值（MPa）彈性模量均值（GPa）泊松比均值鐵礦108.8372.070.235黑云斜長片麻巖113.1254.220.169黑云斜長片麻巖180.3967.900.262榴云片巖113.8551.540.202斜長角閃片麻巖53.5332.120.204花崗質(zhì)片麻巖140.1669.470.214斜長云母片麻巖94.1654.460.203二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—三軸壓縮巖性粘聚力c（MPa）摩擦角φ（°）Fe17.6436951.58891Pl-123.5028245.95101Pl-225.0665244.53971Gmg23.2858341.12992Am23.0503944.37034Gg28.9297546.00632Gmp21.8794542.79154二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—節(jié)理面剪切摩擦節(jié)理面編號摩擦角φ（°）粘聚力c（MPa）c平均值（MPa）φ平均值（°）1#31.219170.6440140.32934.02#33.345920.2818883#33.001110.2824644#25.982130.2652425#36.883510.0336796#41.009750.464578二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—尾砂充填體二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—尾砂充填體1:4灰砂比1:41:8二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值1.試驗內(nèi)容—尾砂充填體灰砂比狀態(tài)密度單軸強度彈性模量變形模量泊松比cφkg/m3MPaGPaGPamm/mmMPa°1:4自然2110.812.134.303.270.122.8338.73飽和2163.512.013.662.710.153.5628.761:6自然2049.47.232.532.290.121.6141.12飽和2167.56.512.271.800.081.6037.101:8自然1924.63.771.131.320.110.8640.88飽和2078.12.930.810.700.160.7639.05二、巖體與充填體力學(xué)參數(shù)取值2.巖體彈性力學(xué)參數(shù)取值基于聲波測井現(xiàn)場巖體節(jié)理統(tǒng)計室內(nèi)巖塊試驗巖體彈性力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量和泊松比RMR經(jīng)驗公式三、礦體開采過程的三維應(yīng)力分析Hoek-Brown準則節(jié)理連續(xù)性系數(shù)室內(nèi)巖塊試驗巖體力學(xué)強度參數(shù)，包括內(nèi)摩擦角和凝聚力巖體力學(xué)強度參數(shù)三、礦區(qū)地應(yīng)力測量1、地應(yīng)力場測量方法孔徑變形測量解除深度與孔徑變形關(guān)系三、礦區(qū)地應(yīng)力測量2、測點信息斷面編號鉆孔樁號鉆孔方位角鉆孔傾角1#副井6#穿脈（-480m）中心孔204.3°-5°斜1孔245.9°-5°斜2孔156.5°-5°北回風井南石門巷（-390m）中心孔230.2°-5°斜1孔258.2°-5°斜2孔191.4°-5°備注1)各方位角均以N向為0°，順時針轉(zhuǎn)動；2)三孔交匯為外交匯；3)鉆孔樁號為中心孔所處的樁號。390北回風巷第三倒車硐室480水平6#穿脈三、礦區(qū)地應(yīng)力測量3、解除的巖心三、礦區(qū)地應(yīng)力測量4、數(shù)據(jù)與結(jié)論斷面編號σx

σyσzτxyτyzτzx1#副井6#穿脈（-480m）15.8117.2811.890.600.42-3.22北回風井石門南巷（-390m）5.196.289.136.28-2.644.86由自重應(yīng)力主導(dǎo)轉(zhuǎn)水平應(yīng)力主導(dǎo)垂直應(yīng)力與覆蓋層重力場基本一致，說明測量準確北回風井測點有較大的剪應(yīng)力導(dǎo)致，最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，不具備代表性，推測可能受局部剪切構(gòu)造的影響以-480測點為測量結(jié)果為后續(xù)分析數(shù)據(jù)巖心均較完整，無崩裂塌孔、餅化現(xiàn)象，裂隙較少，按規(guī)范可化為一般地應(yīng)力區(qū)四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化1、VCR采礦方法盤區(qū)開采的過程中非常關(guān)注采場的穩(wěn)定性，及采場的頂板和側(cè)壁的穩(wěn)定情況，側(cè)壁除原巖外，亦可為膠結(jié)充填體。所以采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采順序和膠結(jié)充填體的選擇是關(guān)鍵。厚大礦體的充填法開采還非常少見。采場方向的布置少考慮地應(yīng)力條件，對于陡傾似層狀礦體，主要是對于礦體厚度小于20m采用沿走向布置礦房，而礦體大于20m則通常會采用垂直礦體走向布置礦房?；夭身樞蚍矫?，首先開采勘探程度較高、礦體產(chǎn)狀比較穩(wěn)定、品位比較高、厚大的礦體。由以上礦山可知，采場寬度為8~30m，采場長度20~80m，階段高度為30~100m，隨著對產(chǎn)能要求提高、機械設(shè)備的進步、工程經(jīng)驗的積累和數(shù)據(jù)的豐富以及分析手段的提高，采場尺寸在不斷的提高，如安慶銅礦、李樓鐵礦和草樓鐵礦等。對于張莊鐵礦周邊的李樓鐵礦和草樓鐵礦，三者的地質(zhì)條件有一定程度的相似性。李樓鐵礦和草樓鐵礦的采礦均是垂直走向布置，且李樓鐵礦的階段高度和采場長度更是分別達到100m和170m。2、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)現(xiàn)狀四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化3、Mathews穩(wěn)定圖法四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化寬度2021222324252627282930長266.6163.1120.597.382.872.765.459.855.451.949.0四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——模型四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——采場結(jié)構(gòu)參數(shù)四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——初始應(yīng)力場X方向z方向構(gòu)造應(yīng)力為主四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——最大應(yīng)力集中采場布置位置開采步驟均值標準差第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步1礦柱67.8360.2354.4949.5752.63

57.07.2頂板60.5460.5447.7363.3770.97

60.68.42礦體223.3200.9141.1146.754.20

153.265.5頂板77.9060.1461.3063.5270.66

66.77.53礦體72.0874.1776.3178.4581.7759.12

73.73.8頂板61.8164.7963.3761.7367.5178.26

66.22.44礦體59.1179.4678.6376.7979.3754.08

71.28.8頂板78.2661.5962.6160.5271.4078.87

68.97.75礦體68.5270.7774.9078.8983.8886.5468.7763.3174.46.2頂板59.6460.0356.4456.4465.6767.6175.7376.7564.83.86礦體150.3127.78124.4122.684.6685.1187.7271.84106.823.6頂板48.8751.0947.7347.7958.3765.4567.0679.8858.34.57礦體67.7770.0970.7070.7082.3561.7063.30

69.55.7頂板64.0063.6658.1658.3266.3971.8373.62

65.13.78礦體144.6125.3122.991.1592.3090.6261.58

104.123.1頂板52.8651.4647.7661.1858.9868.2277.36

59.75.59礦體70.5273.0475.6277.0981.6965.0070.01

73.34.2頂板54.3453.6356.0256.4664.0076.1777.62

62.64.110礦體155.2135.2133.197.6398.5097.0864.30

111.625.1頂板49.0849.8362.2462.1569.0974.8375.86

63.38.711礦體73.3774.0876.2578.2761.2467.02

71.76.7頂板57.4552.4052.6565.7771.4573.24

62.28.412礦體151.4134.3133.092.9893.6264.04

111.626.4頂板50.8551.9050.4461.6678.4080.09

62.212.013礦體71.4076.8179.5881.0262.5267.90

73.27.5頂板56.4357.4958.9363.2762.4667.77

61.14.314礦體149.97132.9132.0895.7890.2067.06

111.325.9頂板53.8654.154.8861.2665.1577.66

61.25.1四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——最大拉應(yīng)力采場布置開采步驟第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步10.220.570.930.630.46

20.200.560.640.480.53

30.200.411.081.140.940.94

4/0.300.990.900.710.59

5/0.410.680.740.840.520.430.4060.870.850.830.800.910.650.630.6170.160.720.940.821.110.940.86

80.360.580.580.960.930.770.79

9/0.500.760.810.550.600.62

100.280.680.700.600.500.550.55

110.200.520.660.710.670.65

120.380.740.820.610.680.66

130.140.811.080.650.700.69

140.890.650.601.101.121.15

四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——頂板最大位移采場布置1234567891011121314面積數(shù)33.032.331.430.935.233.232.833.934.435.437.034.838.535.6四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——采場暴露塑性區(qū)比例采場布置開采步驟均值標準差第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步110.146.2539.1037.7616.479

7.951.67211.178.2907.64111.9210.26

9.861.84313.0413.677.42110.698.4317.029

10.052.8748.78514.528.0978.83510.168.466

9.812.41511.287.81111.3214.1318.3812.5215.5940.2016.4010.1267.7898.3607.7309.93424.6417.7412.2729.5614.758.40714.768.1362.72621.7719.1317.6915.07

14.186.6287.0777.7539.12223.2520.6519.1424.18

15.887.59914.757.00610.1628.9111.3916.2016.20

14.957.03107.5037.27413.1120.8017.4617.0129.13

16.047.691116.3411.2513.8215.8915.4140.78

18.9110.87129.5717.79515.0314.4116.4027.75

15.157.011315.4910.4615.5515.4215.5739.44

18.6610.38149.1137.37916.3815.8817.2129.22

15.867.72四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——塑性區(qū)（垂直通長，盤中垂直剖面）第一步第二步第三步第四步第五步垂直礦體通常布置采場穩(wěn)定性較好由于隔離礦柱承擔圍巖壓力較大，先才隔離礦柱兩側(cè)的盤區(qū)四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——塑性區(qū)（盤中水平剖面）垂直半長布置沿走向通長布置四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化4、數(shù)值計算——盤頂水平剖面垂直通長布置-389m水平剖面-385m水平剖面沿走向通長布置-389m水平剖面四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化5、膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性最大在-270m中段，約有200m。因此采用灰砂比1：8獲得1.35的安全系數(shù)，可見1：8灰砂比的全尾砂交結(jié)充填是合理的。四、充填開采結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化6、小結(jié)階段空場嗣后充填法更適合大規(guī)模礦山充填開采。經(jīng)濟分析、類比和經(jīng)驗分析推薦張莊鐵礦的采場垂直走向布置，采場的長度為礦體的厚度。數(shù)值計算表明在應(yīng)力集中、最大拉應(yīng)力、頂板變形和采空區(qū)塑性區(qū)方面，垂直通長布置采場均有較好的表現(xiàn)。由于采場布置不同，致使整個開采過程中圍巖的應(yīng)力卸荷和應(yīng)力集中表現(xiàn)差異較大，但無論哪一種開采方式，都會導(dǎo)致二步礦房和盤間礦柱的應(yīng)力集中。采用充填體的理論公式結(jié)合頂板沉降，可得膠結(jié)重提體安全系數(shù)為1.35，仍然有一定的安全儲備，一般認為安全儲備需要大于1.2，那么采用1：8灰砂比的全尾砂膠結(jié)充填體顯然是合理的。五、充填開采地表移動規(guī)律研究1、整體計算模型五、充填開采地表移動規(guī)律研究2、礦體和采場模型五、充填開采地表移動規(guī)律研究3、開采步驟第一步：-450m一步礦房（膠結(jié)）開采，與二步礦房（非膠結(jié)）為隔一采一的形式布置；第二步：-450m一步礦房膠結(jié)充填；第三步：-450m二步礦房開采；第四步：-450m二步礦房采用全尾砂充填；第五步：-390m一步礦房（膠結(jié)）開采，與二步礦房（非膠結(jié)）為隔一采一的形式布置；第六步：-390m一步礦房膠結(jié)充填；第七步：-390m二步礦房開采；第八步：-390m二步礦房采用全尾砂充填；第九步：-330m一步礦房（膠結(jié)）開采，與二步礦房（非膠結(jié)）為隔一采一的形式布置；第十步：-330m一步礦房膠結(jié)充填；第十一步：-330m二步礦房開采；第十二步：-330m二步礦房采用全尾砂充填；第十三步：-270m一步礦房（膠結(jié)）開采，與二步礦房（非膠結(jié)）為隔一采一的形式布置；第十四步：-270m一步礦房膠結(jié)充填；第十五步：-270m二步礦房開采；第十六步：-270m二步礦房采用全尾砂充填；第十七步：-450m礦柱開采；第十八步：-450m礦柱充填；第十九步：-390m礦柱開采；第二十步：-390m礦柱充填；第二十一步：-330m礦柱開采；第二十二步：-330m礦柱充填；第二十三步：-270m礦柱開采；第二十四步：-270m礦柱充填。-450水平開采-390水平開采-330水平開采-270水平開采礦柱回采五、充填開采地表移動規(guī)律研究4、應(yīng)力場——8#剖面最大主應(yīng)力初始450m一步礦房開采礦體開采，頂?shù)装搴偷V柱的應(yīng)力明顯升高五、充填開采地表移動規(guī)律研究4、應(yīng)力場——8#剖面最大主應(yīng)力270m一步礦房開采應(yīng)力張量采空區(qū)上盤圍巖表現(xiàn)應(yīng)力集中，主應(yīng)力方向逐漸變換成沿采場方向充填體的應(yīng)力較小，基本在6MPa以下。五、充填開采地表移動規(guī)律研究4、應(yīng)力場——8#剖面270m中段頂板270中段盤區(qū)礦柱回收前270中段盤區(qū)礦柱回收前270中段盤區(qū)礦柱回收對頂板應(yīng)力場影響很大五、充填開采地表移動規(guī)律研究5、塑性區(qū)——8#剖面270中段盤區(qū)礦柱回收前270中段盤區(qū)礦柱回收后結(jié)合應(yīng)力場，建議270中段盤區(qū)作為永久礦柱不回收五、充填開采地表移動規(guī)律研究5、地表位移270中段盤區(qū)礦柱回收前270中段盤區(qū)礦柱回收后沉降中心位于8號剖面附近，主要該區(qū)礦體比較厚大對于厚度相對較小部位，地表位移小于25mm最大地表位移225mm，充填法能較好控制地表位移五、充填開采地表