基于巖體質量和穩(wěn)定性分析的采場跨度優(yōu)化

薛田喜，李守奎，李 軍

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦； 2.北京科技大學土木與資源工程學院)

引 言

地下工程未開挖前，原巖應力處于自然平衡狀態(tài)。開挖后，所形成的采空區(qū)破壞了原巖的自然平衡狀態(tài)，導致巖體應力重新分布。隨著開采的推進，采場每回采一個分層都會使原巖應力改變其原有的分布狀態(tài)而產生新的應力場。礦體的開采擾動引起采場應力重新分布而出現局部應力集中，頂板沉降和兩幫變形會引起局部區(qū)域塑性破壞，對采場安全性影響極大，而不同的采場跨度對于圍巖位移與應力變化規(guī)律有不同程度的影響，合理的采場結構參數是提高生產效率，確保礦山安全的重要前提[1-2]。對于采場結構參數優(yōu)化的研究，李江等[3]對大尹格莊金礦8204采場巖體質量進行評價，應用圖表法和數值模擬對采場尺寸和最大跨度進行優(yōu)化。王金波等[4-6]根據礦山巖體質量指標，利用Mathews穩(wěn)定圖法對試驗采場跨度進行穩(wěn)定性分析，對采場的參數進行優(yōu)化。李楠[7]利用試驗測定的散體流動參數和“三分段回采”原則，分析計算小汪溝鐵礦無底柱分段崩落采礦法采場結構參數的合理值；借助圖形分析法確定崩礦步距與下盤巖石開掘高度的初始值。劉洋樹等[8]采用室內相似模型試驗研究了采用不同結構參數的VCR采礦法采場的穩(wěn)定性。郭亮等[9]針對采場穩(wěn)定性問題，采用數值模擬的手段對采場結構參數進行優(yōu)化，從開采過程中礦巖的位移、應力和塑性區(qū)等方面進行了詳細分析。梁勝增等[10]采用Flac3D數值模擬軟件,建立了三維數值計算模型,根據巖石力學試驗結果和現場地應力實測資料施加合理的初始條件,對礦體的回采順序進行模擬研究。由此可見，研究不同采場跨度對采場應力、位移的影響，總結開采過程中整個采場應力和位移的變化規(guī)律對實現安全開采和有針對性的采場支護具有指導意義。

1 工程背景

某礦區(qū)主要構造為上盤的主斷裂，礦體賦存于主斷裂下盤蝕變帶內。礦體整體走向NE54°，傾向NW，傾角27°左右。礦體水平厚度2～70 m，104勘探線附近最厚,為70 m，兩翼逐漸變薄至10 m以下。礦體類型屬于含金黃鐵礦化、黃鐵絹英巖化破碎蝕變巖型，礦體上盤圍巖為斷層接觸關系，界線明顯；而礦體下盤與圍巖呈漸變過渡關系，無明顯界線。礦體上盤圍巖為斜長角閃巖，穩(wěn)固性差，暴露面積較大或滯留時間較長、易發(fā)生塌落。礦體下盤為絹英巖化、硅化和鉀化花崗巖，其內也發(fā)育有相互交錯的節(jié)理裂隙。

該礦山主要的采礦方法為上向進路式膠結充填采礦法。采礦方法是礦山開采的核心內容，采場跨度是采礦方法研究的重點，合適的采場跨度能夠使礦山實現低成本、高效益、可持續(xù)的發(fā)展。該礦山多年來采場跨度一直保持在3.5 m×3.5 m，隨著生產任務的逐年上調，開采深度逐漸加深，進行采場跨度的優(yōu)化調整勢在必行。

2 圍巖結構面調查

采用人工測量和SIROVISION三維巖體不接觸測量技術，對深度為1 000 m左右的礦體及上、下盤圍巖典型區(qū)域進行節(jié)理裂隙掃描測量，統(tǒng)計節(jié)理裂隙分布規(guī)律并進行優(yōu)勢節(jié)理劃分，結果見圖1～3。

圖1 礦體三維結構模型與優(yōu)勢節(jié)理劃分

圖2 礦體上盤圍巖三維結構模型與優(yōu)勢節(jié)理劃分

圖3 礦體下盤圍巖三維結構模型與優(yōu)勢節(jié)理劃分

從掃描結果及優(yōu)勢節(jié)理劃分來看，礦體及上、下盤圍巖節(jié)理均較發(fā)育，巖體完整性較差。

3 巖體質量GSI分級

在評價巖體的地質強度指標GSI時，通過“巖體結構級度(SR)”和“巖體表面條件等級(SCR)”來描述巖體的非連續(xù)性和巖體結構的表面條件，實現節(jié)理化巖體結構的定量化描述，從而獲取精確的GSI值。

巖體表面條件等級(SCR)是由粗糙度級別(Rc)、風化程度級別(Rw)和充填膠結程度級別(Rf)通過下式計算得到的：

SCR=Rc+Rw+Rf

(1)

半對數圖表(見圖4)可以估計出巖體體積節(jié)理數(Jv)所對應的巖體結構級度(SR)值。

圖4 半對數圖表

通過對照分析可以得出,礦體與上、下盤圍巖的GSI分級結果，見表1。

表1 礦體與上、下盤圍巖的GSI分級結果

4 基于GSI指標的Hoek-Brown經驗強度折減

Hoek-Brown準則在巖體力學參數的折減研究中最為著名，被廣泛應用于邊坡工程、隧道硐室及水利水電工程中，將巖體的地質環(huán)境(巖體結構特性、表面粗糙度等)包含在原有的理論中，即GSI，得出了巖塊和巖體破壞時主應力之間的關系為：

(2)

式中：σ1為破壞時的最大主應力(MPa)；σ3為作用在巖石試樣上的最小主應力(MPa)；σc為完整巖塊的單軸抗壓強度(MPa)；m，s分別為與巖性及結構面情況有關的經驗參數。

(3)

(4)

式中：mi為巖體完整性系數，可以查表獲得。

令σ3=0，可得巖體的單軸抗壓強度(σmc)為：

(5)

巖體的單軸抗拉強度(σmτ)為：

(6)

巖體彈性模量(Em)可用下式進行估算：

(7)

巖體的內聚力(Cm)和內摩擦角(φm)計算公式為：

Cm=Aσc(-T)B

(8)

(9)

式中：A、B、T均為經驗常數,具體取值可參考文獻[11]。

泊松比(μm)計算公式為：

μm=0.25(1+e-0.25σmc)

(10)

經計算，礦體與上、下盤圍巖的巖體力學參數見表2。

表2 礦體與上、下盤圍巖的巖體力學參數

5 不同跨度采場穩(wěn)定性模擬分析

5.1 數值模型

運用Flac3D數值模擬軟件建立數值計算模型，模型坐標系以礦體走向為y軸，礦體厚度方向為x軸，鉛垂方向為z軸。計算模型在x方向上的長度為50 m，y方向上的長度為50 m，z方向上的高度為50 m，共劃分108 329個單元，20 256個節(jié)點。根據現場工程地質及水文條件，模型共分為3個大組，分別為上盤巖體組、下盤巖體組及礦體組，計算模型見圖5。

圖5 計算模型

5.2 邊界條件

巖體力學參數依據參數折減得到的數據，在模型上邊界施加垂直載荷約為28.64 MPa，最大水平主應力為35.63 MPa(y軸方向)，最小水平主應力為17.25 MPa(x軸方向)。

5.3 不同采場跨度時圍巖位移變化規(guī)律

分別模擬3 m、4 m、5 m、6 m共4種采場跨度，各采場圍巖的豎向位移云圖見圖6。對比不同采場跨度的巖體總體位移可以看出，各采場跨度的頂板下移量分別為17.8 mm、28.3 mm、30.5 mm、40.0 mm，底板上移量分別為10.1 mm、13.5 mm、16.9 mm、23.5 mm。

圖6 不同采場跨度時圍巖豎向位移云圖

從圖6可以看出：采場跨度在4 m以內時，隨采場跨度的增加，頂板位移和底鼓變化量較小；當采場跨度大于4 m時，位移變化量增大；采場跨度為4 m時，兩幫位移變化量在開挖過程中出現一定的波動，最大波動范圍在3.5 mm左右；隨著采場跨度逐漸增大到6 m時，這種波動越來越顯著，最大波動超過了6.0 mm，由此導致采場兩幫圍巖出現片幫和剝落現象。

5.4 不同采場跨度時圍巖應力變化規(guī)律

采場開挖引起應力擾動，不同采場跨度時，采場應力集中、最大主應力、剪應力等引起的潛在破壞區(qū)域和破壞程度各不相同。不同采場跨度時采場開挖完成后的最大主應力分布云圖見圖7。

圖7 不同采場跨度時最大主應力分布云圖

從圖7可以看出：開采引起采場最大主應力的釋放。采場中最大主應力值隨采場跨度的增大而增加，最大主應力值分別為49.4 MPa、54.7 MPa、56.6 MPa、62.2 MPa，采場圍巖應力集中隨采場跨度增大而愈發(fā)明顯，但進路周邊圍巖的應力值卻呈現降低的趨勢，導致礦區(qū)圍巖的應力差值逐漸增大，采場圍巖破壞程度增大。

5.5 不同采場跨度時圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

不同采場跨度下的巖體塑性區(qū)發(fā)展情況見圖8。當采場跨度為3 m時，第一步開采的塑性區(qū)擴展深度約為2.0 m，兩進路塑性區(qū)并未完全貫通；當采場跨度為4 m時，塑性區(qū)擴展深度約為2.5 m；當采場跨度為5 m時，塑性區(qū)擴展深度約為3.5 m，此時兩進路塑性區(qū)已經完全貫通；當采場跨度為6 m時，塑性區(qū)擴展深度約為5.0 m。綜合上述分析，可以看出采場跨度超過5 m后，塑性區(qū)擴展范圍明顯增大。

圖8 不同采場跨度時的巖體塑性區(qū)發(fā)展情況

上述結果表明:當采場跨度大于5 m時，采場圍巖開始表現不穩(wěn)定狀態(tài)，采場兩幫圍巖呈現剝落狀態(tài)，進路之間塑性區(qū)開始貫通，建議采場跨度控制在5 m左右，采場頂板與兩幫圍巖在短時間內較為穩(wěn)定，未出現大面積的破壞與失穩(wěn)，可以滿足充填采礦工藝的要求。

6 結 論

1)針對深部采場巷道開展結構面調查與巖體質量GSI分級，結果表明，礦體及上、下盤圍巖節(jié)理構造均較發(fā)育，巖體完整性較差。

2)依據GSI分級結果分別對礦體及上、下盤圍巖進行巖體參數折減，得到的巖體力學參數與完整巖體相比損失較大。

3)采場跨度為4 m以內時，隨采場跨度的增加，頂板位移和底鼓變化穩(wěn)定；當采場跨度大于4 m時，位移變化量增大。

4)采場圍巖應力集中隨采場跨度增大而明顯，采場圍巖破壞程度增大，且采場跨度超過5 m后，塑性區(qū)擴展范圍明顯增大。

5)綜合考慮礦山生產要求與現場施工技術，建議采場跨度保持在3～4 m。