蝕變斷層破碎金礦高分段空場嗣后充填法采場穩(wěn)定性研究

李冬萍

（中國有色礦業(yè)集團有限公司，北京 100029）

0 引言

分段空場嗣后充填法具有成本低、生產能力大、勞動效率高等突出優(yōu)點，在中厚及以上礦體的開采中占據(jù)重要地位[1-2]。隨著現(xiàn)代采礦技術的發(fā)展，使得分段空場嗣后充填法向著結構參數(shù)增大、采準布置簡化、回采工藝高效的趨勢發(fā)展[3-4]。高分段空場嗣后充填法能大幅減少采準工程量，提高綜合回采效率，也伴隨出現(xiàn)單次爆破后分段空區(qū)暴露面積增大，采場垮冒風險上升[5]。因此，選擇合適的穩(wěn)定性評估方法，針對具體的礦巖條件進行結構參數(shù)優(yōu)化是保障高分段空場法能夠順利實施的前提。

胡高建等[6]利用數(shù)字攝影測量技術獲取并重構了結構面巖體模型進行了上盤圍巖穩(wěn)定性的研究。胡洪文等[7]基于爆破振動測試的動力學數(shù)值模擬，分析了VCR采場上部硐室的穩(wěn)定性情況。孫星[8]選取斷層產狀及其與中深孔采場的空間位置關系為變量因素，研究了斷層影響下采場圍巖的失穩(wěn)特征。吳高善等[9]針對雨季淹井致使采場充水的特定工程條件，開展了房柱法采場的穩(wěn)定性研究。魏超城等[10]以深部高地應力測試和巖體質量調查數(shù)據(jù)為Mathews穩(wěn)定性系數(shù)選取基礎，確定了最優(yōu)采場結構參數(shù)的選取范圍。劉嘉偉等[11]引用簡支梁彈性力學模型，驗證了基于拓展的Mathews穩(wěn)定圖法所確定的不同采寬下暴露面穩(wěn)定性評價結果。謝饒青等[12]提出了一種基于NPCA-GA-BP神經網絡的采場穩(wěn)定性預測方法。李施慶等[13]和王成龍等[14]通過開展地下礦巖地質信息編錄，應用Mathews穩(wěn)定圖法計算出了破碎帶礦房的水力半徑值和極限跨度，為中深孔誘導冒落的采場結構參數(shù)確定提供了理論依據(jù)。李冬萍等[15]、金鵬等[16]、周宗紅等[17]和張晉軍[18]分別從結構參數(shù)優(yōu)化的角度對不穩(wěn)固厚大破碎礦體采礦方法貧損及穩(wěn)定性控制進行了有關研究。

某金礦采用分段空場嗣后充填法開采，深部礦體開采分段高度由12 m增大至21 m，為提高采場穩(wěn)定性，需根據(jù)礦體厚度變化情況進行采場結構參數(shù)優(yōu)化?；诂F(xiàn)場巖體調查測試和室內測試數(shù)據(jù)，引用考慮等概率線的Mathews合成圖，對采寬8～15 m、采長20～50 m變化范圍內高分段采場穩(wěn)定性進行分析評價，為結構參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 開采技術條件

某金礦位處塔吉克斯坦瓦赫達特河谷地區(qū)，礦區(qū)內背斜和斷層構造疊加，礦體賦存于熱液-交代蝕變帶中，礦體圍巖無明顯界限。Zone1主礦體西部走向北西，向東轉為近東西走向，走向延長約800 m，深部礦體埋深約500 m。產狀上緩下陡，上部傾向南西-南，傾角70°～80°，下部近直立，厚度5～80 m，平均30 m，原生礦石為主。礦體范圍內構造發(fā)育，且多有不規(guī)則的巖脈，有斷層從Zone1礦體中穿過，區(qū)內主要蝕變斷層西部傾向175°，傾角62°～65°，斷層東部傾向150°～155°，傾角70°～75°。礦體圍巖主要為熱液交代變質巖和綠片巖，圍巖穩(wěn)定性不佳，原生礦和圍巖普氏系數(shù)f為6～8。礦床水文地質勘探類型為Ⅱ類，以裂隙含水層充水為主，勘探復雜類型為中等偏復雜。

1.2 高分段空場嗣后充填法

中段內連續(xù)布置采場，不留設間柱，分兩步驟回采，采場“隔三采一”：一步驟采場使用高強度全尾砂膠結膏體（含10%～20%的-11 mm連續(xù)級配掘進碎石）充填；二步驟采場使用微膠結全尾砂膏體充填。采用無軌運輸方式，分段鑿巖+底部結構塹溝出礦，分段及底部結構內鑿巖進路完成后，在采場端部施工切割平巷和切割天井。采用上向中深孔后退式回采，各分段從上至下依次進行垂直平行孔拉槽爆破，待底部結構達到出礦條件后，再從上至下依次進行扇形中深孔超前爆破，形成階梯形爆破空間。典型回采示意如圖1所示。

圖1 高分段空場嗣后充填法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of high sublevel open stope subsequent filling method

采場結構參數(shù)為中段高度60 m，頂柱厚度5 m，底部結構高13 m，一分段高21 m，二分段高21 m。根據(jù)礦體厚度沿走向或垂直走向劃分采場：采場垂直走向布置時，采場長度為礦體厚度，采場寬度根據(jù)礦體厚度變化進行優(yōu)化設計；當?shù)V體厚度小于20 m時，沿走向布置采場，采場寬度即為礦體厚度，根據(jù)采場寬度優(yōu)化設計采場長度。

2 穩(wěn)定性分析方法

2.1 巖體質量調查測試方法

該金礦深部采區(qū)已完成2050 m中段和1990 m中段開拓工程施工，針對2050 m中段回采礦體進行巖體質量調查測試。2084 m分段地質平面圖如圖2所示。

圖2 2084 m分段地質平面圖Fig. 2 Geological plan of 2084 m sublevel

1）鉆孔巖芯調查。在2084 m分段東部#15線及西部#4線附近進行鉆孔巖芯取樣，對這兩處鉆孔巖芯進行RQD值計算，并對巖體節(jié)理密度進行統(tǒng)計，作為井下東部、西部兩個典型非穩(wěn)固區(qū)域的巖體質量參考值。

2）點荷載強度測試。對2084 m分段、2063 m分段及2050 m中段#3線～#15線穿脈工程所揭露的礦體和圍巖，現(xiàn)場取巖塊試樣，按照《工程巖體測試標準》（GB/T 50266—2013）[19]進行點荷載強度測試，獲取深部巖體上盤圍巖、下盤圍巖及礦體抗壓強度估算值。

3）室內物理力學測試。對鉆孔巖芯進行分選，并加工成標準巖石試件，按照《工程巖體測試標準》（GB/T 50266—2013）[19]進行巖石體重測量、單軸抗壓強度測試、巴西劈裂抗拉強度測試，水飽和狀態(tài)巖石軟化系數(shù)測定，掌握該金礦深部礦體和圍巖基礎物理力學參數(shù)。

4）巖體質量分類評價。選定井下深部東、西兩個典型非穩(wěn)固區(qū)域進行現(xiàn)場巖體質量調查，使用地質力學RMR分類標準和巴頓巖體質量分類標準進行采場巖體分類評價，并根據(jù)式（1）對兩套體系評價結果進行相互驗證。

式中：RMR為地質力學分類評分值；Q為巴頓巖體質量分類評分值；RMR（Q）則為根據(jù)Q值換算得到的地質力學分類評分值。

2.2 等概率線Mathews合成圖法

基礎的Mathews穩(wěn)定性圖解法是以改良的Q系統(tǒng)為基礎，根據(jù)硬巖礦井現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)總結而成的經驗性方法。Mathews圖以巖體穩(wěn)定性系數(shù)N為縱坐標，以采場暴露面水力半徑S為橫坐標，以表征采場在不同巖體性質及不同結構參數(shù)下的穩(wěn)定性狀況。

為提高圖解法的量化性，使分析結果更為科學客觀，劉嘉偉等[11]、張宗國等[20]引入統(tǒng)計學Logit概率模型，得到由巖體穩(wěn)定性系數(shù)N和暴露面水力半徑S表征的穩(wěn)定概率方程，見式（2）。

式中，y為預測的穩(wěn)定概率P的對數(shù)值，y與P的計算關系表述為式（3）。

根據(jù)式（3）可計算得到穩(wěn)定概率P，參照基礎Mathews穩(wěn)定性經驗結果，并以穩(wěn)定概率為定量依據(jù)，將Mathews圖劃分為四個評估區(qū)域：崩落區(qū)（P≤0%）、破壞-嚴重破壞區(qū)（0%

巖體穩(wěn)定性系數(shù)N根據(jù)式（4）進行計算，Q系統(tǒng)分類評價指標Q值根據(jù)式（5）計算。

式中：Q′為Q的修正值，與節(jié)理水折減系數(shù)Jw和應力折減系數(shù)SRF有關，當Q分類系統(tǒng)中Jw/SRF=1時，Q'等于Q值；A為考慮采動應力作用的應力調整因子；B為考慮巖體節(jié)理影響的方位調整因子；C為考慮暴露面空間幾何特征的重力調整因子；RQD為巖石質量指標；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)。

典型采場三維示意圖如圖3所示，由此根據(jù)式（6）計算采場內各暴露面水力半徑S。

圖3 典型采場三維示意圖Fig. 3 Three-dimensional diagram of typical stope

式中：W為暴露面寬度；L為暴露面長度。

3 結果分析

3.1 巖體質量分析

1）鉆孔巖芯質量。對2084 m分段東區(qū)、西區(qū)兩處典型破碎巖體進行鉆孔巖芯取樣，其中#15線鉆孔0～6 m為礦體上盤（北部），16～32 m為礦體，32～47 m為礦體下盤（南部）；#4線鉆孔0～12 m為礦體上盤（北部），12～45 m為礦體，45～60 m為礦體下盤（南部），巖芯質量調查統(tǒng)計結果見表1。

表1 鉆孔巖芯調查統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of drill core survey

由表1可知，東區(qū)礦巖體完整性相比西區(qū)較好，東區(qū)上盤及礦體RQD值在50%左右，西區(qū)則降低至30%以下。礦體走向延伸范圍內下盤圍巖破碎，上盤圍巖完整性優(yōu)于礦體和下盤圍巖。東區(qū)下盤（南部）有斷層與下盤礦-巖過渡帶接觸，因而導致礦巖局部破碎。西區(qū)上盤（北部）含有多條礦脈，蝕變帶發(fā)育，走向平行節(jié)理切割礦巖，隨著Zone1主礦體埋深增大，上盤平行礦脈尖滅，西區(qū)礦巖完整性提高。

2）巖石強度。2050 m中段三個水平的近30條穿脈揭露礦巖點荷載強度分布情況如圖4所示。根據(jù)巖性強度數(shù)據(jù)可知，礦體強度最大，上盤圍巖次之，下盤圍巖最小。強度沿走向分布情況表現(xiàn)為由西向中略微上升，向東顯著降低。隨埋深增加，強度整體有所增大，西區(qū)平行蝕變帶多有尖滅，節(jié)理密度減小，礦巖強度上升趨勢明顯，深部礦巖穩(wěn)固性提高，而東區(qū)仍受貫穿斷層影響，礦巖破碎，強度較低。

圖4 點荷載測試巖石強度分布圖Fig. 4 Distribution plot of point load test rock strength

巖芯標準試樣室內測試結果見表2。上盤巖石強度為42.36 MPa，下盤巖石強度為34.16 MPa，礦石強度為83.69 MPa，現(xiàn)場點荷載與室內測試結果相近，礦石硬度系數(shù)較高，而圍巖偏軟。礦巖抗拉性能極差，抗拉強度僅為抗壓強度的5%左右，一般在2.5～4.5 MPa之間。礦巖抗水飽和軟化性能一般。

表2 礦巖物理力學特性參數(shù)表Table 2 Table of physical and mechanical properties parameters of ore rock

3）巖體質量分類評價。選用RMR法和Q系統(tǒng)對深部2050 m中段礦巖質量分類評價，結果見表3。根據(jù)Q值換算所得的RMR（Q）值與評價指標計算所得的RMR值相近，可認為本文評價結果貼合一般性工程經驗，可信度較好。深部礦巖一般為Ⅲ類～Ⅳ類巖體，東區(qū)礦巖穩(wěn)固性整體一般，受斷層破碎帶影響，下盤圍巖穩(wěn)固性差，接觸交代明顯（圖5（a））；西區(qū)礦巖穩(wěn)固性稍差，平行節(jié)理發(fā)育，裂隙夾泥層填充量較大（圖5（b））；東區(qū)、西區(qū)過渡段巖體穩(wěn)固性較好。礦體地下水狀態(tài)為濕，礦體上盤地下水狀態(tài)為濕，礦體下盤地下水狀態(tài)為滴水。

表3 深部巖體質量分類評價表Table 3 Quality classification and evaluation table of deep rock mass

圖5 深部巖體結構特征圖Fig. 5 Structural characteristic diagram of deep rock mass

3.2 采場穩(wěn)定性分析

1）A值、B值、C值及N值、S值取值。根據(jù)前文所述的巖體質量調查結果，依照取值計算方法[11]得到各類巖體的穩(wěn)定性系數(shù)N見表4。

表4 巖體穩(wěn)定性系數(shù)N取值Table 4 Values of rock mass stability coefficient N

為對21 m高分段采場進行結構參數(shù)優(yōu)化，設計兩個控制變量組，對結構參數(shù)進行橫向梯度對比：①固定采場長度25 m，設置8～15 m范圍的8個采場寬度；②固定采場寬度11 m，設置20～50 m范圍的5個采場長度。根據(jù)圍巖、礦體在回采過程中的最大暴露尺寸為暴露面水力半徑S的計算尺寸，計算結果見表5和表6。

表5 水力半徑S取值（采場長度25 m）Table 5 Values of hydraulic radius S (stope length 25 m)

表6 水力半徑S取值（采場寬度11 m）Table 6 Values of hydraulic radius S (stope width 11 m)

2）采場穩(wěn)定性分析。根據(jù)表4～表6計算結果，繪制不同采場結構參數(shù)影響的等概率線Mathews合成圖，如圖6所示。

圖6 不同采場結構參數(shù)影響的等概率線Mathews合成圖Fig. 6 Equal probability line Mathews composite plot of the influence of different stope structural parameters

采場空區(qū)高度不變的情況下，上盤、下盤圍巖揭露面水力半徑與采場寬度有關，礦體側幫揭露面水力半徑與采場長度有關，頂板揭露面與采場長度和寬度有關，頂板穩(wěn)定性對采場結構參數(shù)的變化更為敏感。由圖6可知，在不同巖體質量條件下，研究范圍內結構參數(shù)的變化不會引起采場穩(wěn)定性發(fā)生突變，采場穩(wěn)定性均位于穩(wěn)定-破壞邊界（P>60%）以上。東區(qū)采場上盤圍巖揭露面穩(wěn)定性遠好于其他暴露面，采場寬度增大時，上盤揭露面穩(wěn)定性由95%以上降低至90%～95%，下盤及頂板揭露面穩(wěn)定性由90%～95%降低至80%～90%；采場長度增大時，礦體側幫揭露面穩(wěn)定性由80%～90%降低至60%～80%，穩(wěn)定性變化更為顯著。東區(qū)、西區(qū)采場各揭露面穩(wěn)定性接近，采場寬度或長度增大時，暴露面穩(wěn)定性均由80%～90%降低至60%～80%，逐漸趨于穩(wěn)定-破壞邊界，失穩(wěn)風險上升。東區(qū)采場整體穩(wěn)定性優(yōu)于西區(qū)采場，但采場長度發(fā)生變化時，東區(qū)采場礦體側幫揭露面更易發(fā)生失穩(wěn)。

根據(jù)式（2）和式（3），對東區(qū)采場、西區(qū)采場各暴露面穩(wěn)定概率進行計算，得到各結構參數(shù)下采場穩(wěn)定概率變化曲線如圖7所示。

圖7 不同采場結構參數(shù)下采場穩(wěn)定性概率曲線Fig. 7 Probability curve of stope stability at different stope structural parameters

由圖7可知，采場寬度的變化對西區(qū)采場暴露面的穩(wěn)定概率影響更加顯著。當采場寬度超過10.5 m時，西區(qū)采場下盤圍巖及頂板揭露面穩(wěn)定概率均下降至80%以下；當采場寬度超過13 m時，西區(qū)采場上盤圍巖揭露面穩(wěn)定概率降低至80%以下，此時西區(qū)采場超過半數(shù)的暴露面穩(wěn)定概率低于80%。采場長度的變化對東區(qū)采場礦體側幫暴露面的穩(wěn)定概率影響更加顯著。當采場長度超過22.5 m時，西區(qū)采場頂板穩(wěn)定概率降低至80%以下；當采場長度超過27.5 m時，東區(qū)采場礦體側幫揭露面穩(wěn)定概率降低至80%以下；當采場長度超過45 m時，西區(qū)采場礦體側幫揭露面穩(wěn)定概率低于80%，此時西區(qū)采場超過半數(shù)的暴露面穩(wěn)定概率低于80%。

由于該金礦下盤圍巖穩(wěn)固性差，深部開拓、采準工程均布置于上盤巖體內，礦體回采首先揭露采場下盤巖體，如采取激進的結構參數(shù)設計，將導致回采初始階段就面臨著極高的采場端面垮冒的風險。同時，考慮國外偏遠地區(qū)現(xiàn)場施工技術水平和工程質量控制效果，認為該金礦采場暴露面穩(wěn)定概率在80%以上時，穩(wěn)定性設計可靠度才足以應對現(xiàn)場突發(fā)狀況。綜合上述分析及巖體質量調查結果可知，東區(qū)蝕變斷層對采場暴露面穩(wěn)定性的不利影響較小，在控制采場長度（25 m以內）的情況下，不同采場寬度下各暴露面穩(wěn)定概率均能達到80%以上，考慮到東區(qū)礦體較為厚大（厚度一般約為30 m），根據(jù)臨界水力半徑計算結果，推薦采場寬度設置為11 m。西區(qū)礦巖條件不利于布置大采寬采場，根據(jù)西區(qū)礦體厚度情況（一般約為25 m），采場寬度宜控制在10.5 m以內。隨著開采深度的增加，西區(qū)礦巖穩(wěn)固性提升，可根據(jù)揭露巖體情況，可根據(jù)巖體質量調查結果適當將西區(qū)采場寬度增至11 m。

4 結論

1）對深部首采中段礦體進行了鉆孔巖芯調查、點荷載及室內物理力學測試，使用RMR法及Q系統(tǒng)進行了巖體質量分類評價，在充分的現(xiàn)場調查測試基礎上，引用量化性等概率線Mathews合成圖，對兩個控制變量組的采場結構參數(shù)進行了橫向梯度對比，可為高分段采場結構參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2）深部采區(qū)東區(qū)上盤、礦體以及西區(qū)礦體為Ⅲ類一般巖體，東區(qū)下盤以及西區(qū)上盤、下盤巖體為Ⅳ類差巖體；上盤巖體穩(wěn)定性系數(shù)N為1.92，礦體為3.58，下盤巖體為0.45；東區(qū)受斷層與下盤礦-巖過渡帶接觸、貫穿影響，礦巖局部破碎；西區(qū)上盤平行礦脈發(fā)育，蝕變帶與走向平行節(jié)理切割礦巖，巖石片理結構突出，隨著主礦體埋深增大，上盤平行礦脈尖滅，西區(qū)礦巖完整性提高。

3）東區(qū)采場整體穩(wěn)定性優(yōu)于西區(qū)采場，但采場長度發(fā)生變化時，東區(qū)采場礦體側幫揭露面更易發(fā)生失穩(wěn)。采場寬度的變化對西區(qū)采場暴露面的穩(wěn)定概率影響更加顯著，固定采場長度25 m，當采場寬度超過13 m時，西區(qū)采場超過半數(shù)的暴露面穩(wěn)定概率低于80%。

4）考慮現(xiàn)場施工情況，根據(jù)Mathews合成圖穩(wěn)定性分析所得，東區(qū)礦體（厚度30 m）推薦采場寬度設置為11 m，西區(qū)礦體（厚度25 m），采場寬度宜控制在10.5 m以內，此時采場各暴露面穩(wěn)定概率均大于80%，穩(wěn)定性設計可靠度足以應對現(xiàn)場突發(fā)情況。隨著開采深度的增加，西區(qū)礦巖穩(wěn)固性提升，可根據(jù)揭露巖體情況，可根據(jù)巖體質量調查結果適當將西區(qū)采場寬度增至11 m。