黃金洞金礦斷層破碎帶內礦體開采巖層控制技術應用研究

李偉明，王阡，王翔，宋陽，胡軍偉，劉釗君

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司， 山東 臨沂市 277712)

黃金洞金礦位于平瀏大斷裂東側，復向斜北翼的東西向與北北東向構造交匯部位。主要構造形跡為北西西向倒轉復式背向斜構造，并形成一系列大致平行其軸向的斷層擠壓破碎帶，這些擠壓破碎帶呈東西向或呈北西西至南東東向展布，成群成組控制金礦產出。區域變質主要有蝕變類型和裂隙式熱液蝕變類型兩種。區內皺褶斷裂構造發育，斷層破碎帶主要為蝕變破碎板巖及石英脈。斷層破碎帶頂、底板節理發育，斷層破碎帶寬 0.2～21 m，斷層兩盤均為冷家溪群板巖。

1 礦體開采技術條件

黃金洞金礦有兩種不同開采技術條件類型的礦體。

（1）金塘坑口的 1號脈。該中段內礦體屬于緩傾斜的薄礦體，礦體平均厚度為2 m左右，傾角為10°～30°，下部偏緩只有10°左右，上部偏陡達到約30°。礦體和圍巖界限明顯，礦體金品位為1～2 g/t。

（2）華家灣坑口的 3號脈。該處礦體為傾斜礦體，為一典型石英脈型含礦類型，圍巖為板巖類型，礦體厚度為2～3 m，局部少量達到4 m，礦體傾角為40°～50°，金礦品位為3.5～5 g/t，上盤破碎帶品位為1.5 g/t。

該礦板巖為良好隔水層，地表水體、第四系孔隙水對礦床充水有間接影響，確定該礦床水文地質屬簡單類型。

通過對該礦巖體的工程地質調查和巖石力學參數測試，最終確定礦區各巖體工程地質條件類型見表1。

表1 礦區巖體分級匯總

2 推薦的采礦方法及采場結構參數

通過對比分析，推薦金塘坑口的1號脈采用傾斜分條全面采礦法；推薦華家灣坑口的3號脈采用上向水平分層充填采礦法。

根據前述礦體和圍巖的基本穩定性條件，并結合現場的實際情況，礦體呈脈狀產出，厚度不大且較破碎，礦體的圍巖均為板巖。一般來說，無支護地下工程的穩定性取決于極限暴露面積；采用Mathews圖解法[1-3]，針對不同巖性進行容許極限跨度計算，上盤極限情況下水力半徑[4-6]的計算結果見表2。

表2 基于穩定區的各巖性采場上盤水力半徑

3 采場內巖層控制技術研究

3.1 長錨索支護參數計算

普氏松散體理論[7]認為在采場頂部（或巷道頂部）會形成自然平衡拱（即冒落拱，如圖1所示），在這個拱內礦巖的重力即為作用在設計的長錨索上的力。采用普氏公式分別計算華家灣坑口3號脈，金塘坑口1號脈的平均單位面積的壓力、懸吊錨索的根數、單錨索可控制面積，以此最終確定各錨索支護參數。

圖1 采場頂部的自然平衡拱

（1）長錨索長度[1-3]。在考慮穿孔設備、送繩方式及注漿方式等條件下，最終按組合懸吊作用和等強度原則，選取長錨索長度為5～8 m。

（2）錨索直徑。錨索直徑一般為15～25 mm，破斷力在120～350 kN之間。

（3）砂漿配比。砂漿采用水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥，砂子為中砂和細砂，參照傳統經驗確定水灰比為0.4，灰砂比為1:2。

3.2 錨桿支護參數計算

綜合分析國內外關于錨桿參數的經驗數據和規定，按加固拱原理確定錨桿參數，對于跨度小于10 m的巷道、硐室，可按經驗公式確定錨桿參數。

（1）錨桿長度L可依據工程經驗采用公式（1）進行計算：

式中，W為巷道或硐室跨度，m；N為圍巖穩定量影響系數。其中，Ⅱ類（穩定性較好）圍巖，N=0.9；III類（中等穩定）圍巖，N=1.0；Ⅳ類（穩定性較差）圍巖，N=1.1；IⅤ類（不穩定）圍巖，N=1.2。代入式（1），可得，華家灣上盤板巖錨桿長度為1.9 m；華家灣下盤板巖錨桿長度為1.7 m；金塘上盤板巖錨桿長度為1.7 m。

（2）錨桿間（排）距D：

則，華家灣上盤板巖錨桿間（排）距不大于0.95 m；華家灣下盤板巖錨桿間（排）距不大于0.85 m；金塘上盤板巖錨桿間（排）距不大于0.85 m。

（3）錨桿直徑d：

則，華家灣上盤板巖錨桿直徑為 0.017 m；華家灣下盤板巖錨桿直徑為 0.015 m；金塘上盤板巖錨桿直徑為0.015 m。

綜合得出礦體頂板的支護參數為：錨桿長度應大于1.9 m，錨桿間距為0.95 m以內，錨桿直徑應大于17 mm。

4 采場支護后跨度模擬

基于上述計算的巖層控制支護參數，對巖體最大可暴露的跨度進行研究，以確定[7-8]采場結構參數。

采用FLAC3D軟件對巷道在無支護條件下和不同支護形式下的應力、變形、位移分布等情況分別進行模擬和對比分析。部分模擬結果見圖2至圖7。

圖7 金塘上盤板巖錨索支護下跨度9.00 m時的應力、位移云圖

4.1 華家灣上盤板巖

4.1.1 華家灣上盤板巖錨桿支護

華家灣上盤板巖在錨桿支護與無支護條件下的應力分布規律表明，跨度為2.59 m、無支護時，最大主應力分布在采場的四角，最大主應力為25.20 MPa，最小主應力為9.50 MPa；跨度為2.59 m、錨桿支護時最大主應力為37.50 MPa，最小主應力為13.00 MPa；跨度為3.00 m、錨桿支護時，最大主應力為57.50 MPa，最小主應力為12.35 MPa，見圖2（a）、圖2（b）；跨度為3.50 m、錨桿支護時，最大主應力為36.00 MPa，最小主應力為10.50 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場側幫和頂底板中央為應力釋放區。

圖2 華家灣上盤板巖錨桿支護下跨度3.00 m時的應力、位移云圖

豎向位移分布規律表明，跨度為2.59 m、無支護時，頂板最大位移為1.70 cm；跨度為2.59 m、錨桿支護時，頂板最大位移為1.20 cm；跨度為3.00 m、錨桿支護時，頂板最大位移為2.25 cm，見圖2（d）；跨度為3.50 m、錨桿支護時，頂板最大位移為 3.00 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板位置，側幫位移量較小。

從數值分析的結果來看，錨桿支護后比無支護下豎向位移降低，隨著跨度增大，在支護條件下[6-7]頂板位移增大，符合實際情況，因此在錨桿支護下推薦華家灣上盤板巖跨度為3.00 m。

4.1.2 華家灣上盤板巖錨索支護

華家灣上盤板巖錨索支護下的應力分布規律表明，跨度為3.00 m、錨索支護時，最大主應力為57.50 MPa，最小主應力為12.35 MPa；跨度為3.50 m、錨索支護時，最大主應力為36.00 MPa，最小主應力為 10.50 MPa，見圖3（a）、3（b）；跨度為 4.00 m、錨索支護時，最大主應力為28.00 MPa，最小主應力為10.50 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場側幫和頂底板中央為應力釋放區[8]。

圖3 華家灣上盤板巖錨索支護下跨度3.50 m時的應力、位移云圖

豎向位移分布規律表明，跨度為3.00 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.25 cm；跨度為3.50 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.55 cm，見圖3（d）；跨度為4.00 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.85 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板位置，側幫位移量較小。

從數值分析的結果來看，錨索支護后，隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護下，推薦華家灣上盤板巖跨度為3.50 m。

4.2 華家灣下盤板巖

4.2.1 華家灣下盤板巖錨桿支護

華家灣下盤板巖錨桿支護和無支護條件下的應力分布規律表明，跨度為8.17 m、無支護時，最大主應力分布在采場的側幫以及四角，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為11.60 MPa；跨度為8.17 m、錨桿支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為11.40 MPa；跨度為8.50 m、錨桿支護時，最大主應力為26.00 MPa，最小主應力為10.00 MPa，見圖4（a）、4（b）；跨度為9.00 m、錨桿支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為10.45 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場側幫和頂底板中央為應力釋放區。

圖4 華家灣下盤板巖錨桿支護下跨度8.50 m時的應力、位移云圖

豎向位移分布規律表明，跨度為8.17 m、無支護時，頂板最大位移為3.20 cm；跨度為8.17 m、錨桿支護時，頂板最大位移為3.00 cm；跨度為8.50m、錨桿支護時，頂板最大位移為3.20 cm，見圖4（d）；跨度為9.00 m、錨桿支護時，頂板最大位移為 3.45 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板中央位置，側幫位移量較小[4]。

從數值分析的結果來看，錨桿支護后豎向位移比無支護時降低，隨著跨度增大，在支護條件下，頂板位移增大，符合實際情況，因此在錨桿支護下推薦華家灣下盤板巖跨度為8.5 m。

4.2.2 華家灣下盤板巖錨索支護

華家灣下盤板巖錨索支護下的應力分布規律表明，跨度為8.50 m、錨索支護時，最大主應力為25.00 MPa，最小主應力為10.00 MPa；跨度為9.00 m、錨索支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為10.45 MPa，見圖5（a）、圖5（b）；跨度為9.50 m、錨索支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為11.45 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場側幫和頂底板中央為應力釋放區。

圖5 華家灣下盤板巖錨索支護下跨度9.00 m時的應力、位移云圖

豎向位移分布規律表明，跨度為8.50 m、錨索支護時，頂板最大位移為3.20 cm；跨度為9.00 m、錨索支護時，頂板最大位移為3.40 cm，見圖5（d）；跨度為9.50 m、錨索支護時，頂板最大位移為3.40 cm，但最大位移區域增大。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板位置，側幫位移量較小[8]。

從數值分析的結果來看，錨索支護后隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護下，推薦華家灣下盤板巖跨度為9.00 m。

4.3 金塘上盤板巖

4.3.1 金塘上盤板巖錨桿支護

金塘上盤板巖在錨桿支護和無支護條件下的應力分布規律表明，跨度為8.19 m、無支護時，最大主應力分布在采場的側幫以及四個角，最大為34.50 MPa，最小主應力為10.50 MPa；跨度為8.19 m、錨桿支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為9.50 MPa；跨度為8.50 m、錨桿支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為9.50 MPa，見圖6（a）、圖6（b）；跨度為9.00 m、錨桿支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為10.50 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場側幫和頂底板中央為應力釋放區。

圖6 金塘上盤板巖錨桿支護下跨度8.50 m時的應力、位移云圖

豎向位移分布規律表明，跨度為8.19 m、無支護時，頂板最大位移為2.10 cm；跨度為8.19 m、錨桿支護時，頂板最大位移為1.95 cm；跨度為8.50 m、錨桿支護時，頂板最大位移為2.10 cm，圖6（d）；跨度為9.00 m、錨桿支護時，頂板最大位移為2.10 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板中央位置，側幫位移量較小。

從數值分析的結果來看，錨桿支護后比無支護時，豎向位移降低，隨著跨度增大，在支護條件下，錨桿數量增多，因此在錨桿支護下推薦金塘上盤板巖跨度為8.5 m。

4.3.2 金塘上盤板巖錨索支護

金塘上盤板巖錨索支護下的應力分布規律表明，跨度為8.50 m、錨索支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為9.50 MPa；跨度為9.00 m、錨索支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為10.50 MPa，見圖7（a）、圖7（b）；跨度為9.50 m、錨索支護時，最大主應力為34.50 MPa，最小主應力為10.45 MPa。采場周邊應力分布呈現出不同現象，采場四角為應力集中區域，而采場頂底板中央為應力釋放區。

豎向位移分布規律表明，跨度為8.50 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.10 cm；跨度為9.00 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.25 cm，見圖7（d）；跨度為9.50 m、錨索支護時，頂板最大位移為2.25 cm，但最大位移區域增大。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發生在開挖面頂板位置，側幫位移量較小。

從數值分析的結果來看，錨索支護后隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護下推薦金塘上盤板巖跨度為9.00 m。

5 結論

（1）通過多類型巖體分級法得出，華家灣下盤板巖和金塘上盤板巖為II級巖體。

（2）利用Mathews穩定性圖解法對礦巖體的容許安全跨度進行了計算，得出華家灣上盤板巖安全跨度為2.59 m；華家灣下盤板巖安全跨度為8.17 m；金塘上盤板巖安全跨度為8.19 m；華家灣礦體安全跨度為1.37 m；金塘礦體安全跨度為8.19 m。錨索直徑為15 mm，錨索長度為5 m，網度為4.33；錨桿直徑為17 mm，錨桿長度不小于1.9 m，間距為0.95 m。錨索加固配合錨桿使用。

（3）根據FLAC3D數值模擬結果，并綜合考慮位移、安全性與支護成本的相互制約關系，推薦支護條件下：華家灣上盤板巖錨桿支護下跨度為3 m，錨索支護下跨度為 3.5 m；華家灣下盤板巖錨桿支護下跨度為8.5 m，錨索支護下跨度為9 m；金塘上盤板巖錨桿支護下跨度為8.5 m，錨索支護下跨度為9 m。