某礦區工程穩定性分級方法及其在巷道支護中的應用

許夢國 王明旭 王 平，2 甘仕偉 陳順滿 雒 凱

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院;2.華中科技大學土木工程與力學學院)

地壓問題一直是影響地下開采安全的主要因素之一。在地下開采過程中，原巖平衡狀態遭到破壞，導致礦巖體應力場重新分布。在不同的地質環境下會產生不同的地壓顯現影響，特別是處于較差地質環境中的巷道易變形，甚至被圍巖擠壓破壞，嚴重影響井下安全。本研究深入某礦山井下進行地質調研，結合礦山地質資料，依據巖體分級方法對所研究區域進行巖體分級。同時利用數值模擬方法建立采區的數值模型，得出了所研究水平的安全系數分布情況，也得到了所研究水平的安全系數分級區域圖。將這2種分級區域圖疊加，得出了一種新的工程穩定性分級方法，指導礦山井下的巷道支護工作。這樣一種方法彌補了巖體分級方法和數值模擬得出的安全系數分級方法兩者各自存在的不足，大大提高了井下巷道支護的準確性。

1 巖體分級

某礦位于長江中下游鐵銅成礦帶西端，屬于接觸交代矽卡巖型礦床。礦體上盤主要為閃長巖、大理巖和矽卡巖，下盤主要為斑狀花崗巖和矽卡巖，上下盤之間夾有變質巖體，礦體平均厚度53 m，平均傾角46°。礦體以15號勘探線為界分為東區和西區2個礦區。目前該礦采用無底柱分段崩落法，－430 m以上的3個水平正在進行回采作業，－430 m水平已開拓完畢，正在進行采準巷道的掘進。通過礦山提供的E0至E11和W0至W49勘探線的地質剖面圖作出了－430 m水平的巖體分布區 域圖，見圖1。

對該鐵礦主要存在的5種巖體進行了RMR分級和Q分級。將2種分級方法結合得出了綜合的巖體分級結果，見表1。在2種巖體分級結果的比較中，RMR分級和Q分級雖然是2種不同的巖體分級方法，在對巖體對象進行分級時所考慮的因素存在一些差異，但它們之間也存在量值關系。1976年，Bieniawski［1］在大量實測統計的基礎上，發現了RMR值和Q值之間的關系，即RMR=9lg Q+44。1993年，Barton［2］提出了修正后的RMR值與Q值的關系，即RMR=15lg Q+50。

表1 綜合巖體分級結果

利用前述所得的5種巖體綜合分級結果在－430 m水平的應用，畫出了－430 m水平的巖體分級區域圖，如圖2。Ⅱ級巖體分布主要在－430 m水平的礦體西區，大致從26#進路到52#進路區域。Ⅲ級巖體主要分布在大理巖的區域、東西區結合帶到西區26#進路之間的區域和礦體上下盤圍巖區域以及礦體東區1#進路到19#進路的區域。Ⅳ級巖體分布主要在東西結合帶至東區19#進路的區域、矽卡巖存在的區域以及東區端部圍巖存在很多斷層和四種巖體相互接觸的地帶。通過巖體分級區域圖的顯示，可以清晰知道－430 m水平各個區域的巖體狀況和適合采用的支護方法，為巷道的穩定和－430 m水平采準巷道作業的完成提供保證。

2 數值模擬

為了進一步明確研究區域的巖體分布情況，除了結合礦山提供的有關地質資料外，還對所研究區域進行了相應的地質調查，并取樣進行了相應的巖石物理力學性質實驗。為模擬的方便，對實驗結果進行了適當處理，確定了研究區域的巖石模擬涉及的物理力學參數，見表2。

通過相應的地質資料，畫出了各水平的礦體分布區域圖，從AutoCAD導出礦體分布邊界的ACIS文件，再用Import將其導入Workbench中，通過construction point進行圖形描摹，再用曲線連接并擬合，從而得出了數值模擬軟件中的各個水平的礦體分布圖。該鐵礦礦體走向長1 840 m，寬度50～414 m，為了更好符合圣維南原理的要求，將數值模型尺寸定為8 000 m×8 000 m×3 000 m。在 ANSYS軟件Workbench界面中建立了不同礦巖體，進行了相應的材料物理力學參數的賦值。該模型上邊界為自由邊界，下邊界取全約束位移邊界條件，模型前后邊界 采用Y方向約束，左右邊界采用X方向約束。

表2 典型礦巖物理力學參數

劃分網格時，大模型的網格尺寸為300 m，礦體的尺寸為30 m，塌陷體、斷層和開挖體的尺寸都為50 m，研究區域的網格劃分較密，其他部位稀疏。網格劃分完畢共有464 150個單元，655 996個節點，見圖3。為了確保網格劃分的質量，選用了偏度skewness監視，mesh metric平均為0.291，質量處于較好的區間，網格質量與數量分配如圖4所示。

圖3 ANSYS網格模型

圖4 網格質量與數量分配

根據礦山開采技術的進步，結合礦山截止品位的變化，將礦體邊界線進行了一定程度的擴展。塌陷體一直延伸到－360 m水平，－375 m水平和－395 m水平基本已經回采完畢，正在進行－410 m水平的回采工作和－430 m水平的采準工作。

安全率是指由Mohr－Coulomb強度準則所決定的極限應力狀態與實際應力狀態的比值［3］。將安全系數按取值范圍分為5個級別，見表3。在安全系數級別Ⅳ中，由于巷道穩定較差，頂板冒頂現象時有發生，有的冒頂現象還比較嚴重，給井下安全生產帶來了不利影響。對于這樣的區域，使用噴錨網支護，支護成本高，耗時長，如果使用錨桿聯系鏈［4］，支護方便，成本較低，聯系鏈與噴層共同作用對頂板和側幫起到了很好支護作用，大大減少了頂板冒落和片幫的發生。

圖5是通過數值模擬建立的－430 m水平的安全系數分布區域圖。從該圖可以看出－430 m水平的安全系數較小的地方主要分布在礦體東西區結合帶、東西區與上下盤的結合帶以及東區靠近東西區結合帶的區域。其中東區靠近東西結合帶的區域也是礦山現場界定的高應力區。圖6是對應于布置有－430 m水平采準巷道的安全系數分級區域圖。

表3 巖體分級與巷道支護方式的對應

圖5 －430 m水平的安全系數分級區域圖

圖6 對應巷道布置的安全系數分級區域圖

3 工程穩定性分級方法及其應用

工程穩定性分級方法就是將巖體分級與數值模擬得出的安全系數分級綜合考慮形成的一種新的分級，以此分級指導井下巷道支護，維護巷道穩定性。具體是指將某水平的巖體分級區域圖與安全系數分級區域圖疊加形成的一種新的工程穩定性分級，依據新的工程穩定性分級制定不同工程穩定性分級下的巷道支護方法。表6是2種分級方法疊加所對應的工程穩定性分級以及相應的支護方法。圖7是某礦區－430 m水平巖體分級區域圖與安全系數分級區域圖的疊加圖。疊加的不同類型與表4對照，從而確定了某處所需的巷道支護方法。

表4 工程穩定性分級與巷道支護方法對照

圖7 巖體分級區域圖與安全系數分級區域圖的疊加圖

4 結論

(1)對某礦區進行了RMR分級和Q分級，結合2種分級方法結果分析得出了綜合的巖體分級結果并將其應用到該礦區－430 m水平，得出的該水平巖體分級區域圖與現場實際比較符合。

(2)建立了全礦區的數值模型，通過數值模擬計算方法得出的－430 m水平安全系數分級區域圖與現場實際比較吻合。

(3)數值模擬方法得出的安全系數分級區域圖和巖體分級方法得出的巖體分級區域圖疊加形成了一種新的工程穩定性分級方法，以此方法指導礦山井下的巷道支護是有效的。

(4)在工程穩定性Ⅳ級中，由于巖體不穩定，采用了錨噴加錨桿聯系鏈的方法對巷道進行支護，噴層與錨桿聯系鏈共同作用維護巷道穩定，同時也提高了噴層、錨桿聯系鏈與錨桿的整體性，支護效果較好。

［1］ 蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

［2］ 姚高輝.金屬礦山深部開采巖爆預測及工程應用研究［D］.武漢:武漢科技大學，2008:21-22.

［3］ 李艷，許夢國.基于采礦過程模擬的回采順序優化［C］∥2011年全國金屬礦山現代采礦關鍵技術學術研討與新設備展示會.長沙:《礦冶工程》雜志社，2011:48-51.

［4］ 許夢國，葉義成，盛建龍，等.錨桿聯系鏈在復雜地質條件下巷道支護中的應用［J］. 黃金，2000，21(9):11-14.