金川二礦區(qū)深部開采潛在問題與優(yōu)化控制技術(shù)研究_圖文

1、金川二礦區(qū)深部開采潛在問題與優(yōu)化控制技術(shù)研究高 謙 劉同有 方祖烈( 北京科技大學(xué), 金川集團(tuán)公司摘 要:本文簡要地介紹了針對二礦區(qū)地質(zhì)和采礦條件,以控制采場地壓,實現(xiàn)安全生產(chǎn)所開展的研究工作。首先,明確二礦區(qū)二期開采潛在的安全生產(chǎn)問題,為此提出了相應(yīng)的研究內(nèi)容和技術(shù)路線,最后給出研究所獲得的主要結(jié)論。關(guān)鍵詞:地下采礦 采場地壓控制 系統(tǒng)優(yōu)化控制高 謙 教授 博士生導(dǎo)師 北京 100083金川礦區(qū)經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造運動,使得礦區(qū)圍巖內(nèi)大小斷層縱橫交錯,節(jié)理裂隙十分發(fā)育,其突出特點表現(xiàn)為巖塊強(qiáng)度高,巖體強(qiáng)度低,整體穩(wěn)定性極差;同時,礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力較高,礦體埋藏深、地壓大,使其工程圍巖顯現(xiàn)出顯著的

2、碎脹蠕變效應(yīng),對采場與巷道圍巖的穩(wěn)定性造成極為不利的影響。尤其隨二期工程逐漸延深,地壓增加,采場面積逐步擴(kuò)大,不利因素也日趨增加,它不僅給巷道穩(wěn)定性維護(hù)帶來極大困難;而且還可能導(dǎo)致巖層劇烈移動,危及礦山開拓系統(tǒng)工程的正常使用和安全生產(chǎn)。針對1#礦體二期開采所存在的不利因素,金川礦區(qū)對此進(jìn)行了深入研究。經(jīng)過近3年的室內(nèi)外研究,獲得了大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析資料,進(jìn)一步明確了二期開采所潛在的失穩(wěn)模式,揭示了影響采場穩(wěn)定性的主要因素,在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化采場回采工藝,提出控制采場地壓的關(guān)鍵技術(shù)和回采順序,為深部采場地壓控制和巖層移動預(yù)測提供了可靠的理論依據(jù)。由于篇幅所限,本文僅介紹了金川深部開采所潛在的

3、地壓問題以及所進(jìn)行的研究技術(shù)思路,并簡要地給出了此次研究所獲得的幾點主要結(jié)論。1 二礦區(qū)1#礦體深部開采潛在失穩(wěn)模式金川二礦區(qū)1#礦體二期工程采用無礦柱下向膠結(jié)充填大面積連續(xù)開采。由于礦體厚大,且呈透鏡狀產(chǎn)出,所以,隨著開采水平的延深,采場暴露面積逐漸擴(kuò)大。一期采場的最大采場面積已超過5萬m 2,二期開采采場的最大水平面積將接近10萬m 2。1.1 采場圍巖和充填體整體失穩(wěn)模式采場整體結(jié)構(gòu)包括采場圍巖和充填體所構(gòu)成的采礦系統(tǒng),而局部結(jié)構(gòu)是指進(jìn)路、巷道、硐室或開拓豎井等采場中的工程。采場整體失穩(wěn)可能潛在下述3種破壞模式:(1構(gòu)造控制的關(guān)鍵塊體滑落失穩(wěn)。構(gòu)造破壞失穩(wěn)受采場圍巖內(nèi)存在的斷裂構(gòu)造所控制

4、。隨著采場范圍的擴(kuò)大,圍巖內(nèi)的斷裂構(gòu)造和采場臨空面所切割圍巖形成塊體的數(shù)量增多,體積增大,因此,潛在的可移動塊體可能向采場內(nèi)移動或滑落?；w的形成取決于圍巖內(nèi)斷裂構(gòu)造面與采場臨空面的組合,而穩(wěn)定性依賴于斷層面的抗剪強(qiáng)度以及支撐滑體的充填體支承能力。對于由斷裂構(gòu)造面所控制的失穩(wěn)模式在此稱之為!構(gòu)造型破壞模式。(2能量釋放率控制采場圍巖突變失穩(wěn)。該破壞模式取決于采場圍巖所儲存的能量及能量釋放速率,它介于緩慢式破壞(蠕變破壞和沖擊式破壞(巖爆之間的一種破壞形式。首先,一般以部分巖體緩慢地破裂(破裂巖石也即吸收和釋放能量為先導(dǎo),隨著這一過程的不斷延續(xù),構(gòu)成可冒落或滑移塊體,最終從母體脫落下來。因此,這

5、種整體失穩(wěn)垮冒依賴于落高和重量所釋放的能量,這種能量即是所謂的位能。它是延時較長的破壞過程的最終結(jié)果。巖層在一開始的緩慢破裂過程中,一般伴隨著能量的消耗和釋放。因此,能量釋放速率決定了采場圍巖重力型破壞的突發(fā)程度。所以,對于此種破壞在此稱之為!能量型失穩(wěn)模式。(3壓桿式水平礦柱屈服破壞失穩(wěn)。二礦區(qū)1#礦體二期工程目前采用1250m 和1150m 兩個中段同時向下開采,隨著1250m 水平采礦向下推進(jìn),1250m 與1150m 之間形成的水平礦柱在逐漸變薄,其剛度在減小。與此同時,部分礦柱達(dá)到屈服應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生屈服破壞,使整個礦柱的承載能力降低。當(dāng)水平應(yīng)力達(dá)到礦柱的臨界荷載時,就可能發(fā)生類似于壓

6、桿屈服突變失穩(wěn),在此稱之為!壓桿型破壞。第56卷 第4期有色金屬(礦山部分2004年7月1.2 采礦工程局部破壞模式采場圍巖內(nèi)的巷道、進(jìn)路及保安礦柱等采礦工程的破壞相對于整個采場結(jié)構(gòu)是局部的。因此,在此稱之為!局部破壞,其破壞模式主要有以下兩種形式:(1巷道頂板充填體脫落。在采礦生產(chǎn)中,經(jīng)常發(fā)生充填假頂(混凝土離層脫落,發(fā)生掉塊和冒頂,盡管這種破壞并不影響整個采礦系統(tǒng)的生產(chǎn),但卻嚴(yán)重危及職工的生命安全,給生產(chǎn)作業(yè)帶來重大事故隱患。(2巷道碎脹蠕變變形破壞。采場面積擴(kuò)大、應(yīng)力升高,處于高應(yīng)力區(qū)的巷道圍巖應(yīng)力將接近或達(dá)到其屈服強(qiáng)度,使圍巖發(fā)生塑性屈服,并伴隨塑性蠕變。由于圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,因此,

7、圍巖屈服破壞首先起始于節(jié)理擴(kuò)張、滑移和擴(kuò)容。變形機(jī)理不同于一般連續(xù)介質(zhì)的蠕變變形,其特點表現(xiàn)為變形量大,且變形速率快,導(dǎo)致巷道在較短時間內(nèi)急劇收斂內(nèi)擠,并在變形發(fā)展到一定時,發(fā)生圍巖片冒。如1150m 水平的粉礦回收道的嚴(yán)重破壞以及1000m 水平巷道開拓工程西部環(huán)形道,變形量之大、速度之快是以前從未有的。導(dǎo)致這種破壞形式的顯現(xiàn)主要受以下兩個方面的因素所控制: 巷道圍巖受采場應(yīng)力控制。由于二期工程巷道所處的深度,使得巷道圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境,因此,巷道穩(wěn)定性主要受采場應(yīng)力大小與狀態(tài)控制:巷道拱角多呈現(xiàn)出顯著的剪切錯動破壞,而底鼓變形顯著;同時,巷道變形的時間效應(yīng)極為明顯。 巷道圍巖處于高應(yīng)力且動

8、態(tài)變化的應(yīng)力環(huán)境中。深部采場巷道圍巖應(yīng)力是采場采動應(yīng)力與巷道掘進(jìn)的次生應(yīng)力疊加而成,這就使得巷道圍巖的應(yīng)力大小與狀態(tài),不僅取決于巷道本身的大小與形狀。而且,更重要的與巷道所處的位置和受采場采動影響的程度;同時,采動應(yīng)力環(huán)境隨著采礦活動的進(jìn)展而動態(tài)變化。所以,深部巷道圍巖一般處于高應(yīng)力環(huán)境中,并且隨采礦的活動處于動態(tài)地變化之中。2 研究技術(shù)路線與研究內(nèi)容在明確了二礦區(qū)二期工程所潛在的穩(wěn)定性問題的基礎(chǔ)上,首先確定應(yīng)開展的研究工作,并提出了開展此項研究應(yīng)實施的技術(shù)路線。其研究內(nèi)容與技術(shù)路線如圖1 所示。圖1 金川二礦區(qū)采場系統(tǒng)優(yōu)化與決策研究技術(shù)路線第4期高 謙等:金川二礦區(qū)深部開采潛在的問題與優(yōu)化控

9、制技術(shù)研究3項目開展了以!二期工程采場穩(wěn)定性最佳控制為目標(biāo)的一系列研究工作:研究方法采取了現(xiàn)場研究與室內(nèi)分析相結(jié)合;研究思路實施了從局部分析到整體評價、從平面分析到三維綜合系統(tǒng)分析途徑;研究理論采取了正交試驗(數(shù)值分析與人工智能模型相結(jié)合;研究范圍從地表巖層移動到深部采場高應(yīng)力環(huán)境巷道變形控制技術(shù),全面、系統(tǒng)地研究了二礦區(qū)深部采礦環(huán)境、影響因素、采場系統(tǒng)優(yōu)化以及采場整體和局部失穩(wěn)破壞的風(fēng)險預(yù)測與最優(yōu)控制技術(shù)。此研究進(jìn)行了大量的工作,提交8個部分的研究報告,獲得了相應(yīng)的研究成果。由于篇幅所限,本文僅給出本研究所獲得幾點主要結(jié)論以及基于此研究所提出的幾點建議和意見。3 主要結(jié)論與建議3.1 礦區(qū)地

10、應(yīng)力隨深度變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),盡管深部地應(yīng)力變化規(guī)律復(fù)雜多變,但總的趨勢表現(xiàn)出隨深度增加,最大與最小主應(yīng)力雖呈線性增大,但最小主應(yīng)力的變化速率大于最大主應(yīng)力的值,從而表現(xiàn)出最大與最小主應(yīng)力之比值趨于減小。3.2 礦區(qū)地應(yīng)力沿礦體走向變化規(guī)律礦區(qū)地應(yīng)力沿走向變化規(guī)律表現(xiàn)出礦體東西端最大主應(yīng)力值大于中部主應(yīng)力值;礦區(qū)內(nèi)基本上受北西和北東兩主應(yīng)力方向所控制,即圍巖以北西向為主,礦體以北東向為主。這與礦區(qū)的構(gòu)造斷裂基本一致。3.3 深部工程圍巖變形特性金川礦區(qū)礦體力學(xué)與變形在一期和二期工程中表現(xiàn)出不同的特點:在一期工程中,其強(qiáng)度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性,突出的特點是巖塊強(qiáng)度高,圍巖整體強(qiáng)度低,整體穩(wěn)定性差。

11、二期工程圍巖變形特征表現(xiàn)在圍巖變形具有強(qiáng)烈的時間效應(yīng),即蠕變特性。由于圍巖內(nèi)存在極為發(fā)育的節(jié)理裂隙,圍巖在變形過程中,節(jié)理發(fā)生剪脹、滑移和擴(kuò)容,更突出表現(xiàn)出節(jié)理巖體在高應(yīng)力環(huán)境中所特有的!碎脹蠕變特性。3.4 圍巖變形隨深度變化規(guī)律(1地表上盤圍巖的最大位移為88 7mm,隨深度的增加,圍巖變形在增加,到1150m中段,圍巖變形增大到128 1mm;從圍巖變形趨勢來看,1300m 中段以上圍巖變形相差不大(僅0 4m m,似乎顯示1300m中段以上圍巖呈整體下沉態(tài)勢。但1300m 至1150m中段,圍巖位移呈線性增加趨勢。(2比較礦體上盤、中部和下盤圍巖變形,礦體上盤大于下盤,中部大于上、下盤

12、;中部地表最大位移達(dá)到116mm,比上盤大28m m,比下盤大63mm。這說明中部礦體和充填體變形比上、下盤劇烈得多。(3比較礦體上、中、下盤圍巖和充填體的變形速率(包括最大變形速率可以獲得一個重要規(guī)律:礦體上部(1250中段變形速率上盤大于中部,中部大于下盤;而下部(1250至1150中段,下盤大于上盤,中部大于上、下盤。(4比較礦體圍巖的最大變形速率,發(fā)現(xiàn)上部一期工程巖體最大變形速率相差不大,而二期工程圍巖變形速率急劇增加,最大位移出現(xiàn)在1150中段的中部礦巖體,最大速率達(dá)到1 14mm/d,這足以導(dǎo)致工程在幾十天內(nèi)發(fā)生破壞。3.5 深部圍巖變形沿礦體走向變化規(guī)律(1沿礦體走向1621行圍

13、巖變形,各水平圍巖變形規(guī)律相似,以16行圍巖變形量最大,從16行向西,變形在逐漸減小。地表(0m、1300m、1200m 三個水平的變形量分別達(dá)到469mm、471m m和851mm;對于地表變形,從16行的469mm到21行減小到85mm。由此表明,16行圍巖變形最為劇烈,主要是由于深部開采逐步向上盤推進(jìn),對16行附近的圍巖影響劇烈所致。(2在深度方向上,圍巖位移變形量隨著深度增加而增大。對于16行,從地表的468mm到1200m 中段增加到852mm,增加接近于1倍。由此可見,深部采場地壓顯現(xiàn)極為劇烈,導(dǎo)致圍巖變形遠(yuǎn)比上部加劇。(3比較圍巖變形速率沿走向變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),16 18行為劇烈變形

14、區(qū),1921行的變形速率在逐漸減小。隨著開采水平的增加,這種變形規(guī)律更為明顯。即在1200m中段,從16行的1 15mm/d最大變形速率到21行降至為0 113mm/d。這說明,隨著礦體向深部延深,劇烈影響范圍仍在1619行之間。(416行的地表最大變形速率已經(jīng)達(dá)到1 827mm/d,平均變形速率也超過了1 5mm/d。這表明,地表變形速度是比較大的。3.6 二期開采巖移變化規(guī)律預(yù)測(1一期工程圍巖和充填體呈現(xiàn)出隨開采的延深逐漸增大,而二期開采期間工程圍巖變形速率又逐漸減小,其后,圍巖的變形速率基本上為常變形速率(地表的變形速率為0 341mm/d,1300m中段的4有色金屬(礦山部分第56卷

15、變形速率為0 337mm/d在發(fā)展。這說明,二期開采的過程中,上部圍巖受深部開采的擾動程度在減小,其變形速率在逐漸減小;但深部圍巖(1200m中段以下的變形速率遠(yuǎn)比上部大,其原因在于深部圍巖受深部開采的影響甚為劇烈,因此變形速率較大。(2二期圍巖(1200m中段以下的變形隨開采過程在逐漸增大,到2002年11月10日(開采水平1250m開采到13分層,1150m中段開采到第8分層,其位移增加到393 5mm,而變形速度增大到接近于1mm/d。由此可見,控制深部地壓,降低圍巖變形速率,是深部開采的首要問題。3.7 影響采場整體穩(wěn)定性因素分析(1采場整體突變失穩(wěn)。以平均能量釋放率為評價指標(biāo)的采場整

16、體穩(wěn)定性因素依次為:!回采水平的開采比例,!水平應(yīng)力,兩中段下降距離和回采方向。(2地表巖層下沉。影響地表下沉的控制性因素仍是!回采水平的開采比例。第二位是兩中段下降距離;充填體的剛度比和水平構(gòu)造應(yīng)力列第三位。由此可見,提高充填體的變形模量,是控制地表下沉的較為有效措施,但并非為提高采場穩(wěn)定性的最佳措施。(3采場圍巖收斂。影響采場圍巖和充填體整體收斂的因素,第一位是回采水平的開采比例;第二位是水平地應(yīng)力和一期充填體強(qiáng)度比;第三位是兩中段下降距離和回采方向。由此可見,提高充填體強(qiáng)度是控制采場圍巖和充填體整體收斂的有效措施,而調(diào)整1250m中段的回采方向也是有效措施之一。(4采場圍巖和充填體屈服破

17、壞。影響采場圍巖和充填體屈服破壞第一位因素為一次回采進(jìn)路的條數(shù)、水平地應(yīng)力和1250m中段下降距離3個因素;其次是回采水平的開采比例和1150m中段的下降距離。有效地減少一次回采進(jìn)路的條數(shù)是降低圍巖和充填體屈服破壞的有效措施。另外,調(diào)整回采水平的開采比例也是重要措施之一。由此可見,對于采場整體穩(wěn)定性影響因素雖然有所不同,但位于前三位的仍是水平地應(yīng)力、回采水平的開采比例和兩中段下降距離。3.8 水平礦柱穩(wěn)定性影響因素(1對于評價水平礦柱穩(wěn)定性的3個指標(biāo),主要影響因素是相同的,即處于前4位的影響因素分別是1250m中段下降距離、水平地應(yīng)力、一次回采進(jìn)路的條數(shù)和1250m中段的回采方向;但排序上略有

18、差異。由此表明,1250m中段的向下推進(jìn)和水平地應(yīng)力,是礦柱失穩(wěn)破壞主導(dǎo)性因素。(2對于ASH和SSH指標(biāo),1250m中段的回采方向和一次回采進(jìn)路條數(shù)因素僅次于上述兩個因素,對礦柱的壓剪破壞也起到重要作用。但對于FRH指標(biāo),不僅一次回采進(jìn)路條數(shù)上升為第一位,而且,處于第四位的因素不是1250m中段的回采順序,而是礦巖接觸帶的剛度系數(shù)。對于導(dǎo)致礦柱壓剪破壞,回采方向和結(jié)構(gòu)參數(shù)占重要地位;而礦巖接觸帶的剛度對礦柱的塑性屈服起到重要影響。(3處于前四位的控制性因素的影響因子高達(dá)29,最低者也接近于7,是基本因素的729倍。所以,導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)關(guān)鍵在于前四位因素。(4對于第二類和第三類的影響因素,ASH

19、、SSH和FRH指標(biāo)有所變化。但似乎1150m中段的回采方向和礦巖接觸帶的強(qiáng)度系數(shù)對礦柱的影響并不十分重要。3.9 采場整體穩(wěn)定性評價與失穩(wěn)風(fēng)險概率(1構(gòu)造控制的塊體失穩(wěn)風(fēng)險。研究顯示,影響1#礦體深部圍巖的F16斷層、F b斷層(出露位置在1250m水平上盤沿脈27行附近、1150m水平29行南石門;1150m水平26行;1238m水平斜坡向上25行附近和F c斷層(在西部1#礦體23行附近出露,在開拓中段均有出露與采場下盤臨空面構(gòu)成一潛在的滑動楔體。其失穩(wěn)風(fēng)險概率為12 96%。(2采場圍巖能量控制整體失穩(wěn)風(fēng)險。 采場圍巖平均能量釋放率控制的整體失穩(wěn)風(fēng)險P f1= 7 5%。地表平均沉降整

20、體失穩(wěn)風(fēng)險P f2= 0 78%。#采場圍巖和充填體收斂變形整體失穩(wěn)概率P f3=3 02%。采場圍巖屈服破壞失穩(wěn)概率P f4 =0 32%。能量控制整體穩(wěn)定可靠度和失穩(wěn)風(fēng)險概率分別為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 地表巖層移動規(guī)律與預(yù)測結(jié)果(1無論采取何種開采方案,地表上盤錯動角小于下盤錯動角。上盤錯動角的變化范圍為60% 76%;下盤的錯動角多數(shù)大于80%,只有極個別的開采方案的崩落角小于80%。(2對于所有開采方案,地表上、下盤巖層水平位移基本上處于同一量級。一般情況下,水平位移(下轉(zhuǎn)第14頁

21、第4期高 謙等:金川二礦區(qū)深部開采潛在的問題與優(yōu)化控制技術(shù)研究5&柵一體化模型得到的計算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。3 結(jié)論本文以力學(xué)原理為基礎(chǔ),并結(jié)合GIS原理,建立了計算巷道變形的GIS矢&柵一體化數(shù)字模型。該模型能對巷道任意點的位移、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計算。從計算的結(jié)果可以看出,模型的結(jié)構(gòu)是健壯的,計算結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。同時,由于GIS軟件(SPANS ARC/INFO,GENMAP,MAPINFO等的發(fā)展,巷道的位移、應(yīng)力和應(yīng)變能以圖表的形式更直接、形象地表示出來,不同巷道或同一巷道的位移、應(yīng)力和應(yīng)變的描述更具直觀性和延續(xù)性。本模型能為GIS軟件在巷道變形中的應(yīng)用奠定模型基礎(chǔ)。參考文

22、獻(xiàn)3 吳信才.地理信息系統(tǒng)原理與方法,北京:電子工業(yè)出版社,2002. 243(上接第5頁小于50cm,只有個別開采方案的水平位移大于50cm。(3地表下沉量隨開采方案變化較大,最大位移超過10m,最小為205 3cm。基于不同指標(biāo)優(yōu)化的最佳開采方案在27個方案中并沒有出現(xiàn),較為接近能量釋放率指標(biāo)的最佳開采方案是第9方案。其巖層移動參數(shù)為:地表沉降496cm,上、下盤位移分別為6 22cm和20 68cm;上、下盤錯動角分別為75%和90%。(4地表巖層移動的研究是初步的,有待于進(jìn)一步分析、監(jiān)測研究?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,對深部開采提出幾點意見和建議:(1基于綜合研究,可以發(fā)現(xiàn),二期工程的圍巖變形和破壞機(jī)理與一期工程相比發(fā)生了較大變化。其主要特點是隨著應(yīng)力環(huán)境的逐步向應(yīng)力場方向變化,使得深部工程圍巖變形也主要顯現(xiàn)為顯著的變形破壞;因此,加強(qiáng)深部巷道工程的破壞機(jī)理和控制技術(shù)研究是當(dāng)務(wù)之急。(2從采