金川二矿区深部开采潜在问题与优化控制技术研究_图文

1、金川二矿区深部开采潜在问题与优化控制技术研究高 谦 刘同有 方祖烈( 北京科技大学, 金川集团公司摘 要:本文简要地介绍了针对二矿区地质和采矿条件,以控制采场地压,实现安全生产所开展的研究工作。首先,明确二矿区二期开采潜在的安全生产问题,为此提出了相应的研究内容和技术路线,最后给出研究所获得的主要结论。关键词:地下采矿 采场地压控制 系统优化控制高 谦 教授 博士生导师 北京 100083金川矿区经历了多次地质构造运动,使得矿区围岩内大小断层纵横交错,节理裂隙十分发育,其突出特点表现为岩块强度高,岩体强度低,整体稳定性极差;同时,矿区的构造应力较高,矿体埋藏深、地压大,使其工程围岩显现出显著的

2、碎胀蠕变效应,对采场与巷道围岩的稳定性造成极为不利的影响。尤其随二期工程逐渐延深,地压增加,采场面积逐步扩大,不利因素也日趋增加,它不仅给巷道稳定性维护带来极大困难;而且还可能导致岩层剧烈移动,危及矿山开拓系统工程的正常使用和安全生产。针对1#矿体二期开采所存在的不利因素,金川矿区对此进行了深入研究。经过近3年的室内外研究,获得了大量的现场监测数据和分析资料,进一步明确了二期开采所潜在的失稳模式,揭示了影响采场稳定性的主要因素,在此基础上,优化采场回采工艺,提出控制采场地压的关键技术和回采顺序,为深部采场地压控制和岩层移动预测提供了可靠的理论依据。由于篇幅所限,本文仅介绍了金川深部开采所潜在的

3、地压问题以及所进行的研究技术思路,并简要地给出了此次研究所获得的几点主要结论。1 二矿区1#矿体深部开采潜在失稳模式金川二矿区1#矿体二期工程采用无矿柱下向胶结充填大面积连续开采。由于矿体厚大,且呈透镜状产出,所以,随着开采水平的延深,采场暴露面积逐渐扩大。一期采场的最大采场面积已超过5万m 2,二期开采采场的最大水平面积将接近10万m 2。1.1 采场围岩和充填体整体失稳模式采场整体结构包括采场围岩和充填体所构成的采矿系统,而局部结构是指进路、巷道、硐室或开拓竖井等采场中的工程。采场整体失稳可能潜在下述3种破坏模式:(1构造控制的关键块体滑落失稳。构造破坏失稳受采场围岩内存在的断裂构造所控制

4、。随着采场范围的扩大,围岩内的断裂构造和采场临空面所切割围岩形成块体的数量增多,体积增大,因此,潜在的可移动块体可能向采场内移动或滑落。滑体的形成取决于围岩内断裂构造面与采场临空面的组合,而稳定性依赖于断层面的抗剪强度以及支撑滑体的充填体支承能力。对于由断裂构造面所控制的失稳模式在此称之为!构造型破坏模式。(2能量释放率控制采场围岩突变失稳。该破坏模式取决于采场围岩所储存的能量及能量释放速率,它介于缓慢式破坏(蠕变破坏和冲击式破坏(岩爆之间的一种破坏形式。首先,一般以部分岩体缓慢地破裂(破裂岩石也即吸收和释放能量为先导,随着这一过程的不断延续,构成可冒落或滑移块体,最终从母体脱落下来。因此,这

5、种整体失稳垮冒依赖于落高和重量所释放的能量,这种能量即是所谓的位能。它是延时较长的破坏过程的最终结果。岩层在一开始的缓慢破裂过程中,一般伴随着能量的消耗和释放。因此,能量释放速率决定了采场围岩重力型破坏的突发程度。所以,对于此种破坏在此称之为!能量型失稳模式。(3压杆式水平矿柱屈服破坏失稳。二矿区1#矿体二期工程目前采用1250m 和1150m 两个中段同时向下开采,随着1250m 水平采矿向下推进,1250m 与1150m 之间形成的水平矿柱在逐渐变薄,其刚度在减小。与此同时,部分矿柱达到屈服应力状态而发生屈服破坏,使整个矿柱的承载能力降低。当水平应力达到矿柱的临界荷载时,就可能发生类似于压

6、杆屈服突变失稳,在此称之为!压杆型破坏。第56卷 第4期有色金属(矿山部分2004年7月1.2 采矿工程局部破坏模式采场围岩内的巷道、进路及保安矿柱等采矿工程的破坏相对于整个采场结构是局部的。因此,在此称之为!局部破坏,其破坏模式主要有以下两种形式:(1巷道顶板充填体脱落。在采矿生产中,经常发生充填假顶(混凝土离层脱落,发生掉块和冒顶,尽管这种破坏并不影响整个采矿系统的生产,但却严重危及职工的生命安全,给生产作业带来重大事故隐患。(2巷道碎胀蠕变变形破坏。采场面积扩大、应力升高,处于高应力区的巷道围岩应力将接近或达到其屈服强度,使围岩发生塑性屈服,并伴随塑性蠕变。由于围岩体节理裂隙发育,因此,

7、围岩屈服破坏首先起始于节理扩张、滑移和扩容。变形机理不同于一般连续介质的蠕变变形,其特点表现为变形量大,且变形速率快,导致巷道在较短时间内急剧收敛内挤,并在变形发展到一定时,发生围岩片冒。如1150m 水平的粉矿回收道的严重破坏以及1000m 水平巷道开拓工程西部环形道,变形量之大、速度之快是以前从未有的。导致这种破坏形式的显现主要受以下两个方面的因素所控制: 巷道围岩受采场应力控制。由于二期工程巷道所处的深度,使得巷道围岩处于高应力环境,因此,巷道稳定性主要受采场应力大小与状态控制:巷道拱角多呈现出显著的剪切错动破坏,而底鼓变形显著;同时,巷道变形的时间效应极为明显。 巷道围岩处于高应力且动

8、态变化的应力环境中。深部采场巷道围岩应力是采场采动应力与巷道掘进的次生应力叠加而成,这就使得巷道围岩的应力大小与状态,不仅取决于巷道本身的大小与形状。而且,更重要的与巷道所处的位置和受采场采动影响的程度;同时,采动应力环境随着采矿活动的进展而动态变化。所以,深部巷道围岩一般处于高应力环境中,并且随采矿的活动处于动态地变化之中。2 研究技术路线与研究内容在明确了二矿区二期工程所潜在的稳定性问题的基础上,首先确定应开展的研究工作,并提出了开展此项研究应实施的技术路线。其研究内容与技术路线如图1 所示。图1 金川二矿区采场系统优化与决策研究技术路线第4期高 谦等:金川二矿区深部开采潜在的问题与优化控

9、制技术研究3项目开展了以!二期工程采场稳定性最佳控制为目标的一系列研究工作:研究方法采取了现场研究与室内分析相结合;研究思路实施了从局部分析到整体评价、从平面分析到三维综合系统分析途径;研究理论采取了正交试验(数值分析与人工智能模型相结合;研究范围从地表岩层移动到深部采场高应力环境巷道变形控制技术,全面、系统地研究了二矿区深部采矿环境、影响因素、采场系统优化以及采场整体和局部失稳破坏的风险预测与最优控制技术。此研究进行了大量的工作,提交8个部分的研究报告,获得了相应的研究成果。由于篇幅所限,本文仅给出本研究所获得几点主要结论以及基于此研究所提出的几点建议和意见。3 主要结论与建议3.1 矿区地

10、应力随深度变化规律研究发现,尽管深部地应力变化规律复杂多变,但总的趋势表现出随深度增加,最大与最小主应力虽呈线性增大,但最小主应力的变化速率大于最大主应力的值,从而表现出最大与最小主应力之比值趋于减小。3.2 矿区地应力沿矿体走向变化规律矿区地应力沿走向变化规律表现出矿体东西端最大主应力值大于中部主应力值;矿区内基本上受北西和北东两主应力方向所控制,即围岩以北西向为主,矿体以北东向为主。这与矿区的构造断裂基本一致。3.3 深部工程围岩变形特性金川矿区矿体力学与变形在一期和二期工程中表现出不同的特点:在一期工程中,其强度表现出强烈的各向异性,突出的特点是岩块强度高,围岩整体强度低,整体稳定性差。

11、二期工程围岩变形特征表现在围岩变形具有强烈的时间效应,即蠕变特性。由于围岩内存在极为发育的节理裂隙,围岩在变形过程中,节理发生剪胀、滑移和扩容,更突出表现出节理岩体在高应力环境中所特有的!碎胀蠕变特性。3.4 围岩变形随深度变化规律(1地表上盘围岩的最大位移为88 7mm,随深度的增加,围岩变形在增加,到1150m中段,围岩变形增大到128 1mm;从围岩变形趋势来看,1300m 中段以上围岩变形相差不大(仅0 4m m,似乎显示1300m中段以上围岩呈整体下沉态势。但1300m 至1150m中段,围岩位移呈线性增加趋势。(2比较矿体上盘、中部和下盘围岩变形,矿体上盘大于下盘,中部大于上、下盘

12、;中部地表最大位移达到116mm,比上盘大28m m,比下盘大63mm。这说明中部矿体和充填体变形比上、下盘剧烈得多。(3比较矿体上、中、下盘围岩和充填体的变形速率(包括最大变形速率可以获得一个重要规律:矿体上部(1250中段变形速率上盘大于中部,中部大于下盘;而下部(1250至1150中段,下盘大于上盘,中部大于上、下盘。(4比较矿体围岩的最大变形速率,发现上部一期工程岩体最大变形速率相差不大,而二期工程围岩变形速率急剧增加,最大位移出现在1150中段的中部矿岩体,最大速率达到1 14mm/d,这足以导致工程在几十天内发生破坏。3.5 深部围岩变形沿矿体走向变化规律(1沿矿体走向1621行围

13、岩变形,各水平围岩变形规律相似,以16行围岩变形量最大,从16行向西,变形在逐渐减小。地表(0m、1300m、1200m 三个水平的变形量分别达到469mm、471m m和851mm;对于地表变形,从16行的469mm到21行减小到85mm。由此表明,16行围岩变形最为剧烈,主要是由于深部开采逐步向上盘推进,对16行附近的围岩影响剧烈所致。(2在深度方向上,围岩位移变形量随着深度增加而增大。对于16行,从地表的468mm到1200m 中段增加到852mm,增加接近于1倍。由此可见,深部采场地压显现极为剧烈,导致围岩变形远比上部加剧。(3比较围岩变形速率沿走向变化规律发现,16 18行为剧烈变形

14、区,1921行的变形速率在逐渐减小。随着开采水平的增加,这种变形规律更为明显。即在1200m中段,从16行的1 15mm/d最大变形速率到21行降至为0 113mm/d。这说明,随着矿体向深部延深,剧烈影响范围仍在1619行之间。(416行的地表最大变形速率已经达到1 827mm/d,平均变形速率也超过了1 5mm/d。这表明,地表变形速度是比较大的。3.6 二期开采岩移变化规律预测(1一期工程围岩和充填体呈现出随开采的延深逐渐增大,而二期开采期间工程围岩变形速率又逐渐减小,其后,围岩的变形速率基本上为常变形速率(地表的变形速率为0 341mm/d,1300m中段的4有色金属(矿山部分第56卷

15、变形速率为0 337mm/d在发展。这说明,二期开采的过程中,上部围岩受深部开采的扰动程度在减小,其变形速率在逐渐减小;但深部围岩(1200m中段以下的变形速率远比上部大,其原因在于深部围岩受深部开采的影响甚为剧烈,因此变形速率较大。(2二期围岩(1200m中段以下的变形随开采过程在逐渐增大,到2002年11月10日(开采水平1250m开采到13分层,1150m中段开采到第8分层,其位移增加到393 5mm,而变形速度增大到接近于1mm/d。由此可见,控制深部地压,降低围岩变形速率,是深部开采的首要问题。3.7 影响采场整体稳定性因素分析(1采场整体突变失稳。以平均能量释放率为评价指标的采场整

16、体稳定性因素依次为:!回采水平的开采比例,!水平应力,两中段下降距离和回采方向。(2地表岩层下沉。影响地表下沉的控制性因素仍是!回采水平的开采比例。第二位是两中段下降距离;充填体的刚度比和水平构造应力列第三位。由此可见,提高充填体的变形模量,是控制地表下沉的较为有效措施,但并非为提高采场稳定性的最佳措施。(3采场围岩收敛。影响采场围岩和充填体整体收敛的因素,第一位是回采水平的开采比例;第二位是水平地应力和一期充填体强度比;第三位是两中段下降距离和回采方向。由此可见,提高充填体强度是控制采场围岩和充填体整体收敛的有效措施,而调整1250m中段的回采方向也是有效措施之一。(4采场围岩和充填体屈服破

17、坏。影响采场围岩和充填体屈服破坏第一位因素为一次回采进路的条数、水平地应力和1250m中段下降距离3个因素;其次是回采水平的开采比例和1150m中段的下降距离。有效地减少一次回采进路的条数是降低围岩和充填体屈服破坏的有效措施。另外,调整回采水平的开采比例也是重要措施之一。由此可见,对于采场整体稳定性影响因素虽然有所不同,但位于前三位的仍是水平地应力、回采水平的开采比例和两中段下降距离。3.8 水平矿柱稳定性影响因素(1对于评价水平矿柱稳定性的3个指标,主要影响因素是相同的,即处于前4位的影响因素分别是1250m中段下降距离、水平地应力、一次回采进路的条数和1250m中段的回采方向;但排序上略有

18、差异。由此表明,1250m中段的向下推进和水平地应力,是矿柱失稳破坏主导性因素。(2对于ASH和SSH指标,1250m中段的回采方向和一次回采进路条数因素仅次于上述两个因素,对矿柱的压剪破坏也起到重要作用。但对于FRH指标,不仅一次回采进路条数上升为第一位,而且,处于第四位的因素不是1250m中段的回采顺序,而是矿岩接触带的刚度系数。对于导致矿柱压剪破坏,回采方向和结构参数占重要地位;而矿岩接触带的刚度对矿柱的塑性屈服起到重要影响。(3处于前四位的控制性因素的影响因子高达29,最低者也接近于7,是基本因素的729倍。所以,导致矿柱失稳关键在于前四位因素。(4对于第二类和第三类的影响因素,ASH

19、、SSH和FRH指标有所变化。但似乎1150m中段的回采方向和矿岩接触带的强度系数对矿柱的影响并不十分重要。3.9 采场整体稳定性评价与失稳风险概率(1构造控制的块体失稳风险。研究显示,影响1#矿体深部围岩的F16断层、F b断层(出露位置在1250m水平上盘沿脉27行附近、1150m水平29行南石门;1150m水平26行;1238m水平斜坡向上25行附近和F c断层(在西部1#矿体23行附近出露,在开拓中段均有出露与采场下盘临空面构成一潜在的滑动楔体。其失稳风险概率为12 96%。(2采场围岩能量控制整体失稳风险。 采场围岩平均能量释放率控制的整体失稳风险P f1= 7 5%。地表平均沉降整

20、体失稳风险P f2= 0 78%。#采场围岩和充填体收敛变形整体失稳概率P f3=3 02%。采场围岩屈服破坏失稳概率P f4 =0 32%。能量控制整体稳定可靠度和失稳风险概率分别为P r=(1-7 5%(1-0 78%(1-3 02%(1-0 32%=88 72%,P f=1-P r=11 28%3.10 地表岩层移动规律与预测结果(1无论采取何种开采方案,地表上盘错动角小于下盘错动角。上盘错动角的变化范围为60% 76%;下盘的错动角多数大于80%,只有极个别的开采方案的崩落角小于80%。(2对于所有开采方案,地表上、下盘岩层水平位移基本上处于同一量级。一般情况下,水平位移(下转第14页

21、第4期高 谦等:金川二矿区深部开采潜在的问题与优化控制技术研究5&栅一体化模型得到的计算结果是比较准确的。3 结论本文以力学原理为基础,并结合GIS原理,建立了计算巷道变形的GIS矢&栅一体化数字模型。该模型能对巷道任意点的位移、应力和应变进行计算。从计算的结果可以看出,模型的结构是健壮的,计算结果是比较准确的。同时,由于GIS软件(SPANS ARC/INFO,GENMAP,MAPINFO等的发展,巷道的位移、应力和应变能以图表的形式更直接、形象地表示出来,不同巷道或同一巷道的位移、应力和应变的描述更具直观性和延续性。本模型能为GIS软件在巷道变形中的应用奠定模型基础。参考文

22、献3 吴信才.地理信息系统原理与方法,北京:电子工业出版社,2002. 243(上接第5页小于50cm,只有个别开采方案的水平位移大于50cm。(3地表下沉量随开采方案变化较大,最大位移超过10m,最小为205 3cm。基于不同指标优化的最佳开采方案在27个方案中并没有出现,较为接近能量释放率指标的最佳开采方案是第9方案。其岩层移动参数为:地表沉降496cm,上、下盘位移分别为6 22cm和20 68cm;上、下盘错动角分别为75%和90%。(4地表岩层移动的研究是初步的,有待于进一步分析、监测研究。基于上述研究结果,对深部开采提出几点意见和建议:(1基于综合研究,可以发现,二期工程的围岩变形和破坏机理与一期工程相比发生了较大变化。其主要特点是随着应力环境的逐步向应力场方向变化,使得深部工程围岩变形也主要显现为显著的变形破坏;因此,加强深部巷道工程的破坏机理和控制技术研究是当务之急。(2从采