金屬礦山礦體圍巖工程地質(zhì)勘察在生產(chǎn)中的作用分析

張志勇

摘 要：本文以高峰礦田為例，對(duì)其深部礦巖體展開(kāi)工程地質(zhì)勘察，評(píng)價(jià)了井下礦巖體的穩(wěn)定性、整體結(jié)構(gòu)性及質(zhì)量等，從某礦業(yè)企業(yè)的井下頂板破壞形式出發(fā)，提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、支護(hù)及控制方法，為采場(chǎng)的設(shè)計(jì)及施工提供了科學(xué)的礦巖體地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金屬礦山 礦體圍巖 地質(zhì)勘察

中圖分類號(hào)：TD1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0085-02

高峰礦田位于我國(guó)廣西省的西北部，礦底層的主要組成部分為泥盆系（系）D，礦井的深度超過(guò)900m，聯(lián)合應(yīng)用斜井、豎井以及盲斜井等進(jìn)行開(kāi)拓，積極做好金屬礦山礦體圍巖的工程地質(zhì)勘察工作，并對(duì)其在生產(chǎn)中的作用展開(kāi)分析尤為重要。

1 金屬礦山礦體圍巖的應(yīng)力分布情況

1.1 洞體應(yīng)力和最大應(yīng)力之間的關(guān)系分析

礦體圍巖應(yīng)力為巷道周?chē)跏紤?yīng)力的重新分布，因而對(duì)于洞體應(yīng)力的重新分布，初始應(yīng)力狀態(tài)有著主導(dǎo)作用。其中，地應(yīng)力的主要構(gòu)成為巖石的自重應(yīng)力場(chǎng)，此時(shí)，最大應(yīng)力也即鉛直應(yīng)力，水平方向的應(yīng)力非常小。在此種鉛直受力條件下，采場(chǎng)巷道的洞底與拱頂可能存在拉應(yīng)力區(qū)，并在洞腳、拱腳等部位出現(xiàn)非常大的切向壓應(yīng)力。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力為初始地應(yīng)力的主要組成時(shí)，此時(shí)最大的主應(yīng)力則為水平應(yīng)力[1]。

1.2 巷道形狀和洞體應(yīng)力之間的關(guān)系

受力條件一定時(shí)，巷道的形狀會(huì)對(duì)洞體應(yīng)力分布產(chǎn)生比較大的影響，洞體應(yīng)力集中的范圍及部位隨著巷道形狀的不同而不同。在鉛直荷載的條件下，圓形巷道受到的應(yīng)力集中在兩側(cè)切向；而當(dāng)巷道為水平橢圓形時(shí)，其兩側(cè)切向的應(yīng)力集中更為明顯，涉及的范圍更大，在洞底以及洞頂?shù)炔课贿€會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)。

1.3 圍巖應(yīng)力分布受到巖體發(fā)育節(jié)理產(chǎn)狀的影響

（1）當(dāng)洞體的受力方向與節(jié)理之間的夾角超過(guò)60°或互相垂直時(shí)，洞周邊與節(jié)理相交部位就會(huì)出現(xiàn)與節(jié)理相垂直的最大切向應(yīng)力；（2）洞體的受力方向與節(jié)理之間的夾角不足30°，或幾乎平行時(shí)，洞周邊與節(jié)理相切的地方就會(huì)出現(xiàn)與節(jié)理相平行的最大切向應(yīng)力；（3）洞體的受力方向與節(jié)理斜交時(shí)，洞周邊與節(jié)理相切及處置的地方，會(huì)出現(xiàn)大小相同的最大切向應(yīng)力。除此之外，節(jié)理的產(chǎn)狀也會(huì)對(duì)洞底、洞頂?shù)忍幹鲬?yīng)力的大小及方向產(chǎn)生不小的影響。

2 金屬礦山礦體圍巖變形及破壞分析

礦體圍巖破壞的類型主要包括倒三角型塊體垮落、切割塊體垮落、沿?cái)鄬悠扑閹奥洹㈨敯鍘r層小塊松散掉落導(dǎo)致的拱形冒落、巖層面滑移、采場(chǎng)側(cè)壁脫層開(kāi)裂以及采場(chǎng)充填體壓壞開(kāi)裂等。此外，巖體變形及破壞主要受到地質(zhì)構(gòu)造，巖體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及工程地質(zhì)條件，原巖應(yīng)力場(chǎng)、斷層、頂板管理，空區(qū)及空區(qū)群以及地震活動(dòng)等因素的影響[2]。

3 金屬礦山礦體圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 圍巖穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

經(jīng)實(shí)踐得知，通常在軟弱巖類或破碎松散巖體的分布區(qū)，半堅(jiān)硬層狀結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)巖體分布區(qū)，厚層狀及堅(jiān)硬塊狀巖體的洞壁不穩(wěn)定分離體部位，采場(chǎng)形狀急劇變化及礦柱等礦體圍巖中應(yīng)力急劇集中的部位為圍巖常出現(xiàn)失穩(wěn)及被破壞的部位。

3.2 圍巖穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

3.2.1 圍巖整體穩(wěn)定性的計(jì)算方法

地下巷道洞壁處彈性應(yīng)力的計(jì)算公式為σθ=ασh+βσv，其中，α與β均為應(yīng)力集中系數(shù)，此時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定的條件則為：

σθc≤σc/Fs （1）

σθt≥σt/Fs （2）

在上述式子中，σθc為洞壁處最大環(huán)向壓應(yīng)力，σθt為最大環(huán)向拉應(yīng)力；σc為巖體的飽和抗壓強(qiáng)度，σt表示飽和抗拉強(qiáng)度；Fs通常取2，安全系數(shù)。

3.2.2 圍巖局部穩(wěn)定性的計(jì)算方法

裂隙巖體由于結(jié)構(gòu)面存在切割情況，在圍巖部分部位會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的分離體。如圖1所示，如果結(jié)構(gòu)面平行于洞軸線，則可取與洞軸相垂直的剖面展開(kāi)分析。

（1）洞頂分離體穩(wěn)定性分計(jì)算：在圖1中，L1與L2兩組結(jié)構(gòu)面切割形成的分離體ABC即為洞頂。α與β分別為結(jié)構(gòu)面的兩個(gè)傾角，L3為分離體的底寬，Tj1與Tj2為抗拉強(qiáng)度，那么分離體高度則為：

（3）

分離體由于懸掛在洞頂處，當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況時(shí)，L1與L2會(huì)被拉開(kāi)，此時(shí)，分離體的抗拉力T以及單位長(zhǎng)度重量W1的計(jì)算公式分別為：

T=L1Tj1+L2Tj2 （4）

（5）

結(jié)合（4）、（5）兩式，則可得出分離體穩(wěn)定系數(shù)η的計(jì)算公式為：

（6）

分離體只有在η值不低于2時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則將不穩(wěn)定。

（2）側(cè)壁分離體穩(wěn)定性的計(jì)算：在自重W2的作用下，側(cè)壁分離體會(huì)沿著L4出現(xiàn)滑移，此時(shí)，可忽略后緣切割面L2產(chǎn)生的抗壓強(qiáng)度。分離體DFE穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式為：

（7）

在（7）式中，α為結(jié)構(gòu)面L4的傾角，φ與c分別指的是L4的內(nèi)摩擦角以及黏聚力。

3.3 圍巖穩(wěn)定的保護(hù)措施

圍巖穩(wěn)定保護(hù)主要包括以下兩方面，一是對(duì)圍巖原有承載力及強(qiáng)度比進(jìn)行保護(hù)，比如將圍巖及時(shí)封閉起來(lái)，以免被風(fēng)化，或是及時(shí)采取襯砌操作，以免圍巖出現(xiàn)松動(dòng)或變形過(guò)大的情況；二是通過(guò)賦予圍巖一定強(qiáng)度來(lái)提高其穩(wěn)定性，比如采取錨桿加固、將裂隙封閉等方法[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)金屬礦山礦體各工作面的圍巖展開(kāi)工程地質(zhì)勘察，仔細(xì)分析了頂板的破壞類型，綜合評(píng)價(jià)了圍巖整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與井下實(shí)際生產(chǎn)情況相結(jié)合，借助先進(jìn)的礦山安全管理技術(shù)方法，在全面研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)破壞類型不同的頂板，提出了相應(yīng)的控制及預(yù)防措施，極大程度上避免了金屬礦山井下事故的出現(xiàn)，同時(shí)也給工作面頂板以及井下開(kāi)采工作的安全性提供了可靠的技術(shù)支持。結(jié)果顯示，項(xiàng)目研究取得了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 費(fèi)鴻祿，楊衛(wèi)風(fēng)，張國(guó)輝，等.金屬礦山礦柱回采時(shí)爆破荷載下采空區(qū)的圍巖穩(wěn)定性[J].爆炸與沖擊，2013，33（4）：344-349.

[2] 王志國(guó).金屬礦山礦體圍巖工程地質(zhì)勘查在生產(chǎn)中的作用[J].工程技術(shù)：全文版，2016，8（12）：44.

[3] 覃虎.金屬礦山礦體圍巖工程地質(zhì)勘察在生產(chǎn)中的作用[J].大眾科技，2012，14（1）：198-201.endprint