论矸石充填作用
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摘要: 本文分两部份:一是矸石充填试验。通过夹壁模拟试验,获得采空矿场充填后夹壁强度提高的具体数据。厚夹壁(厚10米以上)充填满时强度可提高9%,充半满时提高0~1%;薄夹壁(厚10米以下)充满时强度可提高24%,充半满时提高14%,因此,建议厚夹壁的空场可以不充,薄夹壁的空场只需充半满。二是矸石充填作用的讨论。通过模拟试验与现场实际的观察,矸石充填有提高夹壁强度,约制岩体移动,防止冲击地压等作用,但其主要作用是减少空体,约制岩体移动范围,把可能发生的大面积地压转化为局部地压、或者消灭地压。
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一 砰石充填试验
中国南部(江西、湖南、广东)钨矿多数为急倾斜薄脉群钨矿。矿脉、围岩均较稳固,f=8~12,矿脉厚度一般为0.3~0.4米,倾角一般为70°~90°,矿脉间距一般为5~20米。根据上述矿脉赋存条件,比较适合于留矿法开采。到目前为止,留矿采矿法仍然是钨矿山的主要采矿方法。由于留矿法的特点,在矿石采下放完后,遗留空区,并随着开采时间愈长,空体积累就愈大。在七十年代,一些矿山作过测算,一般100~300万米8。空区的分布,随采深而延伸,一般为200~500米。由于空区的体积不断增大,分布深度也逐年增大,空区的夹壁、矿柱载荷也不断增大。因此,自六十年代末起,许多矿山曾先后发生大面积地压活动。这种地压危害性很大,不但影响生产,而且威胁井下工人安全。如盘古山钨矿1967年9月的大面积地压活动,损失资源达4000余吨,七大工艺系统全部被破坏,迫使矿山停产一年,减产三年。
为了免除地压灾害,保证矿山安全生产,自七十年代初开始,大专院校、科研单位与矿山组成三结合地压研究队伍,先后在大吉山、铁山垅、盘古山等矿开展了地压研究工作。经过十余年来的艰苦奋斗,花费了大量人力物力,终于探索出几种防止地压灾害的方法,主要是:一为矸石充填,一为夹壁崩落。矸石充填方法,就是在矿石放完后的空场,用废石充填,以消除空区,提高夹壁及矿柱的稳定性。矸石充填法,明确具体,简单易行,已为大多数矿山所采用,到目前为止,充填量最多的矿山,已达到40余万米3,耗资近200万元。但正在充填工作进行期间,铁山垅矿黄沙坑口于1976年充填的三、四、五中段,于1979年发生夹壁倒塌。为此,一些矿山充填工作陆续停止,地压研究人员对于矸石充填作用产生怀疑。这些怀疑是:(1)矸石充填的作用究竟如何?(2)采空场要不要充满?为了深入了解矸石充填作用及采空场的合适充填量,既能保证安全生产,又要使充填费用达到最少,我们提出了矸石充填作用的研究课题。
一 试验目的
研究钨矿山薄脉群矿,用留矿法开采后,对遗留空区采用矸石充填时,矸石对采场夹壁的稳定作用及其合理的充填量。
二 试验方法
用混凝土模拟采场夹壁的铸块,经养护、加工后,放入夹模中,用拉杆固定模块,两端楔紧,分充填与不充填两种状态,在150吨单轴压力机下进行加载试验,直至模块压碎为止。加载时按加载集度用数字自动记录仪记录应力、应变,如图 1所示。
1.模夹结构。模夹由木块、水泥块、加压板及拉杆组成。木块(夹板)有三种规格,75(厚)×350(长)× 250(200、150)(高)毫米3;板上钻有ϕ12毫米的两个小孔; 水泥块(夹板)也分三种;75(厚)×250(长)×250(200/150)(高)毫米3;拉杆为直径ϕ=10毫米的元铁,长为400毫米。
2.模拟尺寸。采场尺寸为:50米(长)×1.5米(采幅)×50(40、3)米(高),模块尺寸采用1/200缩尺。
3.加载集度。根据模块厚度分:1吨(25毫米),2吨(50毫米),3吨(75毫米)。
4.充填碎石规格。为石灰岩碎块,直径为ϕ≤0.5毫米。
三 混凝模块种类、数量及贴片
1.混凝土配比。第一次:灰:砂:碎石:水=1:3.5:4.5:0.5;第二次:灰:砂:碎石:水=1:2:3:0.5;第三次:灰:砂:碎石:水=1:0:2.5:0.4。
2.混凝土试块规格。混凝土试块尺寸,根据采场夹壁尺寸,以1/200缩尺铸模,分三类,每类又分三种。试块尺寸(单位毫米):
A类:200(长)×250(高)×25(厚)(50、75);
B类:250(长)×200(高)×25(厚)(50、75);
C类:250(长)×150(高)×25(厚)(50、75)。
试块数量,共计82块。其中,第一次:A+B+C=18 + 18 + 18 = 54(块);第二次:A=14(块);第三次:A=14(块)。
3.贴片方法。模块受力状态,实际是平面应变问题。开始试验时,只考虑到应力与弹模成比例,所以第一次贴片,只是测量y方向的应变;通过第一次试验数据分析后,已认识是平面应变问题,所以,第二、第三次贴片作了修改,即在x、y、z三个方向都贴片,以便检测模拟程度及力学参数的一致性。贴片方式如图 2所示。
四 试验结果
表 1 第一次试验结果表 2 第三次试验结果五 试验结果分析
1.试验模块空挡充填后强度提高程度。先将表 1、表 2的同种模块,求出其平均强度,并计算出平均强度提高程度,然后将两次的同种模块的平均强度提高程度再行平均,即得到总平均值(见表 3):
表 3 充填强度提离程度2.试验模块空挡,充填后破坏部位的变化。根据表 1、表 2模块破坏部位统计分析,模块空挡充填后,全部破坏次数将降低15%,下部破坏次数将降低14%,说明充填使夹壁体强度提高,参见表 4及图 3、图 4、图 5。充填后,全部破坏次数的降低率为:
表 4 试样破坏情况充填后,上部破坏次数的增加率为:
充填后,下部破坏次数的降低率为:
3.模拟的检测。采场夹壁的受力状态,就一个采场而言,上下有顶、底柱,两端有间柱。此种夹壁的受力状态,不充填时,为两向受力,充填后,为三向受力。由于夹壁长度很大,四周又为矿柱所支撑,即固定不动。因此,可作为平面应变处理。为模拟夹壁的端部状态,所以模块两端要适当楔紧,使模块纵向不发生应变(实际有应变)。根据第二次实验数据(表 5),利用平面应变的弹模计算公式,求得充填模块的弹模、泊桑系数与实验测得的弹模、泊桑系数在数值上基本一致。
表 5 试样弹模、泊桑系数同时,根据模拟原理,以第一次实验的应力(表 1)、弹模数据与《盘古山钨矿地压研究总结》的岩体强度(551公斤/厘米2)、弹模(0.7×108公斤/厘米2)、龟裂系数(0.5)进行检测,证明用水泥模拟采场夹壁是合理的。通过模型弹模换算系数求得的夹壁强度与现场声波测定强度,基本是一致的。
(1)弹模检测。根据平面应变原理,纵向(x)应变可视为无应变。但在实测中,不管是空、半充、全充,模型在纵向都发生应变,因而使横向(z)应变受到一定的影响。但是横向上,理论计算弹模与实测弹模(用应力、应变计算)基本一致。
Eo——单向受力弹模(不充填),0.85×105;
Ew——两向受力弹模(充满),0.88×105;
EH——两向受力弹模(半充填),0.866 ×105;
E'——平面应变计算弹模;
μ0——横向泊桑系数,0.245;
因此,E'≈Ew≈EH
(2)泊桑系数检测。横向(z)泊桑系数,按理论计算与实测应变数据计算,两者基本相近。
μo——单向受力的泊桑比(不充填)0.245;
μw——两向受力的泊桑比(充满),0.284;
μH——两向受力的泊桑比(充半满),0.301;
μ'——两向应变计算的泊桑比;
因此,μ1≈μw≈μH
(3)模拟检测。根据相似原理,实体σp、εp、Ep与σm、εm、Em之间存在下述关系:
但必须εp=εm时,模型与实体才能相似。已知盘古山钨矿岩石力学性质及声波测定的岩体强度数据,因此,用第一次模型的不充填试验数据进行检测。检测结果,证明模块与现场夹壁的受力状态是相似的。
实体(p):
模型(m):
因εp=εm
(4)充填后夹壁的强度。由于模型与实体是相似的,因此,水泥模块充填后的强度提高比率就等于采空场充填后夹壁强度的提高比率。以盘古山钨矿为例,不充填时,厚夹壁强度为560公斤/厘米2,薄夹壁的强度为542公斤/厘米2;充填后,夹壁强度计算如下:
夹壁高50米:
夹壁高40米:
夹壁高30米:
六 试验结论
薄脉群钨矿用留矿法采完后形成各种厚度的夹壁,大致可划分为两类:一类厚度在10米以上(不含10米),称为厚夹壁;一类厚度在10米以下(含10米),称为薄夹壁。
1.矸石充填,可以提高夹壁强度。一般地说,薄夹壁比厚夹壁提高的比率大,高夹壁比低夹壁提高的比率大。以盘古山钨矿为例:厚夹壁的强度由不充填的560提高到610;薄夹壁的强度由不充填的542提高到653(公斤/厘米2)。
2.薄夹壁的采空场只需充半满,厚夹壁的采空场可以不充。厚夹壁的采空场充满时,夹壁强度可提高9 %,充半满时提高很少,因此可以不充。薄夹壁的采空场充满时,夹壁强度可提高24%,充半满时,提高14%,两者提高强度虽然相差10%,但采空场不但有一定残留矿石量,而且经一定时间后,夹壁总有一定程度的片帮,起到充填作用。因此建议:厚夹壁的空场可以不充,薄夹壁的采空场只需要充半满。但必须指出:采空场实际需要充填高度必须着重研究夹壁的地质构造弱面高度。
3.充填后,夹壁下部稳固性得到提高。根据表面分析,夹壁两侧空场充填后,夹壁的下部破坏率比不充填下降14%,全部破坏率下降15%,因而夹壁承载能力大为提高。
二 矸石充填作用的讨论
1.矸石充填对夹壁或矿柱的强度提高很小。通过上述混凝土模块试验,高50米、长50米、厚度10米以上的厚夹壁,充满时,强度提高9%,充半满时无提高, 厚度10米以下的薄夹壁,充满时强度提高24%,充半满时提高14%。为了验证这些数据,我们采用Pricel、HobbS的经验公式进行验算,计算数据表明:充填后其夹壁强度提高比率,薄夹壁充满时,强度提高4%,半充时强度提高2%。其计算方法如下:
式中:σ——加边界应力(充满),岩石破坏应力(公斤/厘米2);
σo——无边界应力(不充),岩石破坏应力(公斤/厘米2);
σ3——边界应力(公斤/厘米2);
tgβ——直线斜率,
ϕ——岩石内摩擦角(度)。
试验曲线如图 6所示(页岩ϕ=15~ 30°)。
盘古山钨矿岩石力学参数(变质砂岩):
ϕ= 60°(内摩擦角);
γ=2.7°(吨/米3)(容重);
k——1.5(松散系数);
(侧压系数);σo=560(公斤/厘米2);
Gw=0.27×2/3× 50=9(全充废石重量);
GH= 0.27×2/3×25= 4.5(半充废石重量);
(采场最低点水平压力); (采场最低点水平压力);σw =σo+tgβ.σ3/2= 560 + 13 × 1.8=583.4(公斤/厘米2);
σH = 560 + 13× 0.9= 572(公斤/厘米2)。
因此,薄夹壁充满时强度提高比率
薄夹壁半充时强度提高比率
2.残余强度很小。岩石力学界较为普遍地承认,岩体(矿柱)破碎后,只要未发生倒塌,周围充填后,仍具有一定的承栽能力。这个承载力称之为残余强度。可用剪切强度理论, 来说明:
岩石破碎后,当然岩石的内聚力C=0。上述公式就成为纯剪切公式,即
则破砟岩石还可承载σ=τ/tgϕ的压力。实际上岩石破碎后,岩石碎块之间已发生一定量的位移,不管这个位移量多小,破碎块岩体巳不能承载压力。如果要使这种碎块岩体能承载压力,必须对这种碎块岩体进行严格约制,即在承载压力时,不允许碎块发生位移。以矸石充填的形态来看,它们在采空场中是松散状态,空隙率大,即使充填后经过一定时间,也不可能压实。因此,矸石充填体不可能对已破碎夹壁提供承载力,它只能在岩体未破碎前按上述Pricel、Hobbs计算提供很小的边界力(σ3)。所以,矸石充填对破碎的岩休产生的残余强度是不可靠的。
3.充填体作用。充填体除了能提高夹壁强度之外尚能消除空区,约制岩移范围,制造垫层,防止冲击地压,这是充填体在防护地压过程中一个十分重要的作用。
根据盘古山钨矿大面积地压调查,在陷落区内,我们发现许多横切巷在矿脉交会处,即采空场交会处,呈阶梯式陷落,而且夹壁呈整体状下移,许多采空场依然完好,只是空场幅度减少,两墙有些闭合,如图 7所示。在761米中段2#溜井东局部地压区(我们定为大面积地压突破口),W13沉降最大,高差约1.6米,W16约1米,往北横巷阶梯高差逐渐减小。如果7#、11#、13#、15#脉的采空场,采放后进行矸石充填,由于夹壁强度得到提高,或许不会折断,也就免除了这次地压的发生;即使W13在F处折断,由于空场的消除,则W13的沉降量也将大为减少,两侧W11、W15、W18等可能不发生移动。因而限制了地压范围,把大面积地压化为局部地压。
矸石充填,除了上述能控制地压扩展之外,还有防止冲击地压作用。当采空场充填后,采场片帮将大为减少,即使发生大片帮,由于充填体的垫层作用,也不会发生冲击地压。
此外,由于充填体消灭了部分空体,在夹壁发生破坏后,充填本可限制破碎岩体的自由移动。如果再加上夹壁片帮、冒落,在局部充填地段,其空场可以得到充满。如画眉坳钨矿,在F1断层东侧采场、由于夹壁不稳固,采场采放完后,其遗留空区常被夹壁自动片帮所充实。因此,由于充填体消灭了部分空场;即使突壁完全彼坏,地表沉降可以得到有效控制,不会出现陷落坑。
综上所述,铁山垅黄沙坑口充填后,发生地压现象可以得到较为合理的解释。黄沙坑口的三、四、五中段于1972年开始矸石充填,1976年充完,1979年发生夹壁到塌的地压现象,其矸石充填体作用,当作如下解释:(1)矸石充填延缓了夹壁到塌时间, ;(2)倒塌现象是缓慢的,没有发生地表陷落;(3)坑内六、七生产中段没有受到任何冲击地压灾害影响。
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表 1 第一次试验结果
表 2 第三次试验结果
表 3 充填强度提离程度
表 4 试样破坏情况
表 5 试样弹模、泊桑系数
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[1] 江西冶金学院、盘古山钨矿, 《盘古山钨矿地压研究总结报告》, 1976, 1. [2] 锡矿山矿务局、长沙矿山研究院, 《锡矿山南区地压总结》, 1973, 11. [3] 刘化辰、陈鸿森, 《弹性力学》, 冶金工业出版社, 1979, 7. [4] 林韵梅, 《实验岩石力学》, 冶金工业出版社, 1983.