某金礦深部采場穩(wěn)定性分析與參數(shù)優(yōu)化

夏自鋒，溫賓玲，王炳煒，劉玉橋，秦秀合

(1.招金礦業(yè)股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn)市 265400；2.山東招金膜天股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn)市 265400；3.招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦， 山東 招遠(yuǎn)市 265414)

0 引言

合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與采場穩(wěn)定性不僅能保證礦山安全開采，還能提高礦山生產(chǎn)效率，因此采場尺寸參數(shù)與穩(wěn)定性具有重要意義。針對(duì)這方面，Barton[1-2]提出Q分級(jí)系統(tǒng)方法，給出經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算公式，可進(jìn)行巖體評(píng)價(jià)以及支護(hù)設(shè)計(jì)；Mathews、Potvin等[3-4]基于Q系統(tǒng)分級(jí)，提出了采場穩(wěn)定性圖表法；Pakalnis、Brady等[5-6]利用臨界跨度圖方法確定采場最大跨度；董金奎、李江等[7-8]分別運(yùn)用 Mathews圖表法對(duì)焦家金礦、大尹格莊金礦采場參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并取得了良好效果。

本文以某金礦-860 m中段為工程背景，進(jìn)行了現(xiàn)場巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分析，應(yīng)用Mathews 穩(wěn)定圖法、臨界跨度設(shè)計(jì)法和數(shù)值模擬，對(duì)現(xiàn)有條件下采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化，確定出最終采場參數(shù)優(yōu)化方案，最大限度地提高采場的生產(chǎn)能力與安全高效回采礦石。

1 工程背景

某金礦7#礦段為礦山開采主礦體，分布于496～559線之間招平斷裂帶主裂面的下盤，主要由黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖組成，屬厚度變化穩(wěn)定、品位變化均勻的傾斜中厚至厚大礦體；礦床水文地質(zhì)簡單，但工程地質(zhì)較復(fù)雜，上盤圍巖和礦體之間充填的斷層泥導(dǎo)致了極為不利的回采條件，易垮塌冒落。

目前，某金礦主要采礦方法為上向水平分層充填采礦法，中間留設(shè)2～3 m寬的間柱，局部邊角礦體或小礦體采用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法；歷經(jīng)長期大規(guī)模開采之后，開采深度已超過 1000 m，進(jìn)入深部開采階段，地壓將進(jìn)一步顯現(xiàn)，深部開采中冒落、片幫等地壓問題也將愈發(fā)突出，亟須對(duì)-860 m以下深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析與優(yōu)化。

2 圖表法穩(wěn)定性分析

本次采用SIROⅤISION工業(yè)相機(jī)及三維圖片處理軟件，結(jié)合常規(guī)工程地質(zhì)調(diào)查手段對(duì)-860 m水平礦巖結(jié)構(gòu)面的間距、產(chǎn)狀、張開度與充填情況、結(jié)構(gòu)面跡線長度、結(jié)構(gòu)面表面形狀、結(jié)構(gòu)面滲水性狀況、結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度等特征，進(jìn)行詳細(xì)和連續(xù)的測量和調(diào)查；對(duì)礦巖進(jìn)行了單軸抗壓、抗拉及點(diǎn)荷載試驗(yàn)，獲得了礦巖物理力學(xué)參數(shù)?；诂F(xiàn)場調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)某金礦巖質(zhì)量進(jìn)行了多方法分級(jí)評(píng)價(jià)及穩(wěn)定性分析。

2.1 Mathews穩(wěn)定性圖表法

Barton[1]從巖體完整程度、節(jié)理性狀和發(fā)育程度、地下水狀況、地應(yīng)力狀況等方面提出了巖體質(zhì)量（Q）分類，可用式（1）表示：

式中，RRQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)值；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)；Jw為節(jié)理水折減系數(shù)；SSRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

Mathews穩(wěn)定性圖表法由Mathews等[3]提出，后由Potvin[4]進(jìn)行了改進(jìn)，建立了穩(wěn)定性系數(shù)N′和采場暴露面水力半徑HHR之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，收集了秘魯和加拿大的地下礦山穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，劃分為穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)、破壞區(qū)的分界曲線，如圖1所示。

圖1 Mathews穩(wěn)定性圖

穩(wěn)定性系數(shù)N′見式（2）：

式中，A為巖石應(yīng)力系數(shù)；B為節(jié)理方位修正系數(shù)；C為設(shè)計(jì)采場暴露面的重力調(diào)整系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與文獻(xiàn)[9]的最新計(jì)算方法選取參數(shù)A、B、C分別為0.3，0.8，2。

水力半徑HHR（或形狀因子S）反映了采場的尺寸和形狀，見式（3）：

式中，L和H分別為采場暴露面的長度和寬度。

根據(jù)Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果（見表1），礦體、圍巖Q值為 6，均為Ⅲ級(jí)（中等）。由式（2）計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)N′分別為2.78，2.93；由圖1中加拿大數(shù)據(jù)分析可尋，對(duì)應(yīng)的水力半徑大約是3.12 m，-860 m礦體平均厚度為25 m，跨度分別選擇5，6，7，8，9和10 m時(shí)，水力半徑、采場長度與跨度的關(guān)系如圖2所示。分析圖2可知，采場尺寸為8 m×25 m（跨度×長度）時(shí)，水力半徑為3.0 m＜3.12 m，采場處于穩(wěn)定區(qū)域，能滿足覆蓋-860 m礦體厚度。

表1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

圖2 不同跨度下采場長度和水力半徑系數(shù)關(guān)系

2.2 臨界跨度圖表法

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果，-860 m巖體質(zhì)量分級(jí)RMR結(jié)果見表2，評(píng)分值為63，屬于Ⅱ級(jí)“良好巖體”。基于以往的統(tǒng)計(jì)分析[10-11]，建立了臨界跨度曲線（見圖3），將RMR和臨界跨度平面內(nèi)劃分為穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)。由圖3可知，當(dāng)RMR值為63時(shí)，最大臨界跨度是10 m左右，即跨度＜10 m時(shí)，處于穩(wěn)定區(qū)，采場可保持穩(wěn)定。

圖3 臨界跨度

表2 RMR分級(jí)結(jié)果

3 數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證圖表法的可靠性，分別建立跨度為7，8，9 m和10 m的數(shù)值模型。模型左右邊界x方向位移約束，前后邊界y方向位移約束，底部固定約束。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，巖體力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)采場的巖石力學(xué)參數(shù)取值

基于現(xiàn)場測量孔中獲得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)某金礦深部的地應(yīng)力場進(jìn)行反演，得到地應(yīng)力值隨深度的線性回歸方程。

水平最大主應(yīng)力：

水平最小主應(yīng)力：

垂直應(yīng)力：

式中，H為埋深，m；Hσ為最大水平主應(yīng)力，MPa；hσ為最小水平主應(yīng)力，MPa；νσ為垂直應(yīng)力，MPa，γ為平均容重，2715 kN / m3。

以地表標(biāo)高+180 m 計(jì)算，在-860 m 水平所受的地應(yīng)力大小為Hσ= 73.47 MPa，hσ= 32.93 MPa，νσ=28.24 MPa。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用點(diǎn)安全系數(shù)f評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，當(dāng)f＞1，處于安全狀態(tài)；f=1，處于臨界狀態(tài)；f＜1，處于破壞狀態(tài)。從圖4可知，隨著跨度的增加，采場圍巖的安全系數(shù)逐漸降低；當(dāng)跨度小于8 m時(shí)，采場安全系數(shù)f＞1，采場穩(wěn)定性良好；當(dāng)跨度大于9 m時(shí)，采場頂板達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，邊墻部分破壞。數(shù)值模擬確定采場跨度為8 m。

圖4 不同跨度的采場點(diǎn)安全系數(shù)云圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)理論測算與數(shù)值模擬結(jié)果，某金礦在-860 m中段570～574線進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，采場進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)為8 m×25 m×3.6 m（跨度×長度×高度），如圖5所示，兩幫及頂板半孔率高，未發(fā)生破壞、剝落現(xiàn)象，采場穩(wěn)定性好。

圖5 -860 m中段574線進(jìn)路現(xiàn)場

5 結(jié)論

基于Q系統(tǒng)與RMR對(duì)某金礦深部采場的巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上采用Mathews 穩(wěn)定圖表法、臨界跨度設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬對(duì)深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為 8 m×25 m×3.6 m（跨度×長度×高度），當(dāng)跨度小于8 m時(shí)采場穩(wěn)定，并在-860 m中段570～574線進(jìn)行了回采應(yīng)用，試驗(yàn)證明，采場穩(wěn)定性好，兩幫及頂板未發(fā)生剝落和失穩(wěn)現(xiàn)象，可為采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。