急傾斜礦體礦房安全跨度與自穩時間研究*

于少峰，李公成，隋永濤，姜欣欣

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.新疆伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什 844000)

1 引言

拜什塔木礦區位于新疆喀什地區，為一單斜構造，構造簡單，礦體下部變陡直立甚至倒轉。礦區內未發現大的斷層，但小的平推斷層卻比較發育，斷層線方向NE－NNE向。斷層面無明顯破碎帶出現。走向平直或略呈弧形，斷層間距在2～5m左右，多數未完全錯斷礦體。礦石與圍巖體重均為2.75t/m3，礦石f系數為3～5。頂板圍巖為含細粉砂巖，泥質含量高，遇水變軟且穩定性差;含銅礦化層巖性為灰白色中細粒鈣質砂巖;底板圍巖為粉砂泥巖，中厚層狀。

該銅礦在開采過程中由于采場參數及支護方式應用不當，造成礦房垮塌，礦石回采率低及巷道變形嚴重等后果。而礦房垮塌與巷道變形主要與礦體構造與礦房跨度有關[1]。為查明礦體開采的工程地質條件，分析其節理裂隙分布特征及規律，實現主礦體安全、高效、低成本開采的目標，開展了主礦體工程地質調查與巖體質量評價以及礦體礦房安全跨度與空區自穩時間研究。

2 工程地質調查及其巖體質量評價

開展工程地質調查的目的為:(1)對1#、2#礦體的上盤、下盤、礦體及巷道的變形、破壞情況進行調查，以分析礦區地壓活動狀況和發展趨勢;(2)根據礦體和圍巖節理裂隙現場調查資料，并將結果導入Dips軟件中，劃分工程地質巖組，評價不同巖組的工程地質條件，結合室內巖石力學參數試驗成果，進行巖體質量評價;(3)確定合理的礦體礦房安全跨度與空區自穩時間，為開采方案制定、支護參數優化提供基本依據。

2.1 結構面調查

(1)1#礦體工程地質調查

1#礦體上盤圍巖(含細粉砂泥巖):1#礦體上盤圍巖在平均8.9m的長度范圍內監測到節理數為81.3條，平均節理密度為9.2條/m。優勢節理面有兩組，其產狀為73°∠61°，255°∠66°，如圖 1 所示。

圖1 1#礦體上盤含細粉砂泥巖圍巖赤平極射投影

1#礦體(含銅細砂巖):1#礦體平均13 m的范圍內監測到節理平均條數為74條，平均節理密度為5.7條/m。優勢節理面有兩組，其產狀為 33°∠61°，254°∠76°，如圖 2 所示。

圖2 1#礦體含銅細砂巖赤平極射投影

1#礦體下盤圍巖(粉砂質泥巖):1#礦體下盤圍巖平均5.9 m的范圍內監測到節理平均條數為80.7條，平均節理密度為14條/m。優勢節理面有三組，其產狀為 82°∠6°，259°∠16°，254°∠76°，如圖 3 所示。

圖3 1#礦體下盤粉砂質泥巖圍巖赤平極射投影

(2)2#礦體工程地質調查

與1#礦體類似，此處略去2#礦體的赤平極射投影圖。

2#礦體上盤圍巖(含細粉砂泥巖):2#礦體上盤圍巖平均7.3m的范圍內監測到節理平均條數為67條，平均節理密度為9.6條/m。優勢節理面有一組，其產狀為:250°∠76°;2#礦體(含銅細砂巖):由于2#礦體采場較為危險，無法進入采場，故未對2#礦體進行測量;2#礦體下盤圍巖(粉砂質泥巖):2#礦體下盤圍巖平均12.7m的范圍內監測到節理平均條數為134條，平均節理密度為10.6條/m。優勢節理面有四組，其產狀為:270°∠85°，84°∠1°，60°∠13°，214°∠7°。將上述結果匯總為表 1。

表1 工程地質調查結果

2.2 巖體RQD值

RQD(%)值是衡量巖體完整性的重要指標，是指長度大于100mm的鉆孔巖芯長度之和與巖芯總長的比值[2]。

RQD(%)最大為100，最小為 0，一般而言，RQD值越大，巖體完整性越好。

通過現場巖石取芯得出1#、2#礦體的RQD值如表2。

表2 1#及2#礦體的RQD值

3 礦房安全跨度

礦房跨度是采場結構中非常重要的參數。跨度過大時，頂板容易出現彎折破壞和剪切破壞，從而引發冒頂事故;但此時礦房尺寸也大，礦石回采率高。跨度小時，回采時頂板安全，但回采率低。通常，礦房的跨度越大，頂板巖體中央部位出現的拉應力也就越大，當拉應力達到其抗拉強度極限時，頂板開始發生斷裂破壞[3]。在保持安全穩定的前提下，礦房允許達到的最大跨度即稱為“極限跨度”，頂板的受力如圖4所示。本文從結構力學“梁”理論、厚跨比理論及Q系統巖體評價來分析采場安全跨度。

圖4 礦房跨度計算的力學示意圖

3.1 結構力學“梁”理論

礦房的極限跨距可用結構力學的方法求得，頂板可以簡化為兩端鉸接的簡支梁，具體如圖5所示。上覆巖層簡化為均布載荷q。根據結構力學理論，按抗拉強度計算梁的極限跨距。

圖5 礦房跨度計算的力學模型

礦房的頂板可以視為“巖梁”，其在上部均布載荷和自重載荷作用下，“巖梁”內部受到的剪力和彎矩分別如圖6、圖7所示。

圖6 “巖梁”的剪力圖

圖7 “巖梁”的彎矩圖

由圖6可知，在梁的兩端剪力最大，一般情況下，矩形梁的最大剪應力發生于中性軸上，其最大剪應力計算公式:

由圖7可知，梁的中間受到的彎矩最大，且梁中最大正應力力σmax發生于彎矩最大的截面上，且離中性軸最遠處。由于巖體的抗拉強度一般遠小于其抗剪強度，所以用巖體的抗拉強度來計算礦房的極限跨度。其計算式為:

式中:k為礦房極限跨度，m;σ拉為頂板的抗拉強度，MPa;h為頂板的厚度，m;b為頂板的寬度，m;ρ為頂板巖體的密度，g/cm3;q為頂板承受上覆巖層的均布載荷，MPa。

將現場取得的的巖芯，經過室內實驗得到礦山現有巖石物理力參數如表3。

表3 礦體及上下盤圍巖物理力學參數

如圖8所示的矩形巷道，寬度為2a，高度為H。由于拱效應，頂部可能冒落的巖石拱高為b 1，而拱周邊巖石相互擠壓[4]。

圖8 平衡拱分析示意圖

考慮半拱的平衡，對拱列出彎矩的平衡式，并考慮到附加安全儲備，最后可獲得處于安全平衡狀態時的拱高，并且此時冒落區的最大高度，即拱頂高度為:

式中:a為冒落跨度的1/2，也可以理解為采場跨度的1/2;f為巖體的堅固性系數，拜什塔木銅礦礦體f=3～5。

式中:ρ為巖石密度，2.75×103kg/m3;g為重力加速度，取值10m·s－2。

由此可計算得，a≤1.26～2.1m，即礦房跨度為不高于2.52～4.2m。這說明在礦山現有技術條件下，礦房跨度最高不能超過4.2m，否則極易發生礦房垮塌等事故。

3.2 厚跨比理論

根據厚跨比理論與計算方法，即頂板厚度與礦房跨度之比不能小于0.5，可得到不同的頂板厚度與礦房跨度之間的對應關系。考慮安全系數n，可以得出不同安全條件下的礦房跨度與頂板厚度之間的關系[5]，其計算公式如下:

式中:k為礦房極限跨度，m;h為頂板厚度，拜什塔木銅礦頂板厚度一般為4～6m;n為安全系數，通常取1.3 ～1.5，取 1.4。

根據上述公式，礦房跨度也為頂板厚度的單因素函數。計算可得當頂板厚度為4～6m時，礦房極限跨度為4.1 ～6.1m。

3.3 Q系統巖體評價

挪威巖土工程研究所的N.Barton等人，通過對200多個已建隧洞的資料分析，提出了隧洞支護所需的巖體工程地質分類法。巴頓首次建立了巖體質量指標Q的概念，他認為決定巖體質量的因素包括:巖石質量指標(RQD，%)、節理組數影響系數(Jn)、節理面粗糙度系數(Jr)、節理面蝕變度系數(Ja)、節理水影響系數(Jw)和地應力影響系數(SRF)[6]。其中Q值及其評價如表4所示，且其與6個參數之間的關系可用式(7)表示。

表4 巖體質量分類

分析如下:(1)RQD:如表2所示;(2)Jn節理組數影響系數:拜什塔木銅礦的節理組數基本為2～3組，因此Jn取值為6;(3)Jr節理面粗糙度系數:根據現場實測，節理面屬于不光滑而平直的節理，可知Jr值取1;(4)Ja節理面蝕變度系數:由現場工程地質調查可知Ja取值為8;(5)JW節理水影響系數:由于礦山在礦體每個中段進行開采前，都會對礦體進行預排水，故現場工程地質調查過程中，基本無裂隙水存在，巷道開挖時干燥，或有少量水入滲，因此JW取1.0;(6)SRF地應力影響系數:通過工程地質調查可以發現，該銅礦巖體十分松散，巖體中軟弱帶多次出現，SRF取值為10。

根據公式(7)，帶入已知量，可得 Q=0.12～0.16，對應表4，可知巖體質量屬于壞。

Barton提出以下經驗計算公式來確定采場安全跨度[7]:

式中:W為無支護巷道最大安全跨度，m;Q為巖體質量指標;Ez為支護比。

上式中，對于永久性礦山工程Ez=1.6～2.0;對于臨時性礦山巷道或工程，如滯后對采空區進行處理的采場可取Ez=3.0～5.0。因為拜什塔木銅礦采場空區頂板作為臨時性工程，不需要永久保留，故此處 Ez取值4.0。

將數據代入式(8)得無支護巷道最大安全跨度為3.5 ～3.9 m。

3.4 結果分析

將結構力學“梁”理論、厚跨比理論及Q系統巖體評價三種方式，與現場工程地質調查結果相結合，而得出的采場安全跨度結果如表5所示。

表5 采場安全跨度

由上表可以看出:由三種理論方法得出的采場極限安全跨度最小為3.5m，最大為6.1m;所謂極限跨度，即礦房的最大跨度，故采場在進行采礦作業時，礦房尺寸應低于此值。

4 RMR巖體評價與采空區穩定時間研究

Bieniawski根據在沉積巖中進行地下工程開挖所得到的數據，進行分析研究后提出了巖體RMR分級方法。RMR方法的參評因素有完整巖石的強度、巖石質量指標(RQD)、節理間距、節理狀態和地下水條件5 個參數[8]。

式中:A1為巖石強度:A1取2;A2為巖石質量:取值13;A3為結構面間距:從礦山實際情況來看，巖石結構面較為密集，故選A3=8;A4為不連續結構面特征:由工程地質調查可以看出:巖體裂隙間存在較為軟弱的充填物，但結構面連續且厚度較低，巖石中等風化，故A4取值為10;A5為地下水:由于拜什塔木銅礦在開采前會預先對礦體進行排水，故隧道水量較少，巷道整體干燥，故A5取值為15;B為不連續結構面方向修正:根據現場工程地質調查，結果顯示不連續結構面走向及傾向一般，B取值為－5。按照表6得出圍巖級別。

表6 圍巖級別劃分表

將各參數代入到公式(9)中，求得RMR結果為43，根據表6可知圍巖級別為Ⅲ，巖體質量一般。

通過對拜什塔木銅礦的工程地質調查與理論探究，得出其地下采場安全跨度為3.5～6.1m，故當RMR值為43時，由采空區頂板穩定時間[9]，如圖9。分析知頂板穩定時間大致為1～3d。

圖9 地下采空區跨度與穩定時間

當采空區跨度變大時，采空區的穩定時間就會降低。若保持礦房跨度與礦體厚度一致(如有的地方礦體厚度約為7m)，則會造成礦房在極短的時間內垮塌，給井下作業人員造成安全隱患，并會造成礦房礦量無法采出，導致回采率降低。

5 結論

(1)拜什塔木銅礦礦體直接頂板巖體成分為含細粉砂泥巖、礦體為含銅細砂巖、直接底板巖體成分為粉砂質泥巖;巖體中主要節理組數為2～3條。

(2)1#礦體上盤圍巖RQD值為75%，1#礦體RQD值為89%，1#礦體下盤圍巖RQD值55%，2#礦體上盤圍巖RQD值為73%，2#礦體下盤圍巖RQD值為69%。

(3)將結構力學“梁”理論、厚跨比理論及Q系統巖體評價三種方式，與現場工程地質調查結果相結合，而得出的采場安全跨度最小為3.5m，最大為6.1m。

(4)利用RMR對巖體進行評價，得出其巖體性質一般;且采場頂板的穩定時間為1～3d;當采空區跨度變大時，采空區的穩定時間就會降低。在礦體厚度較大的位置，出現礦房在極短的時間內垮塌的情況，給井下作業人員造成安全隱患，并且造成礦房礦量無法完全采出，回采率降低。

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