無底柱分段崩落法進路極限寬度研究

吳秀儀，林玉明，方延強

(1.四川省川威集團有限公司，四川成都 610100;2.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司，四川成都 610065)

無底柱分段崩落法進路極限寬度研究

吳秀儀1，林玉明1，方延強2

(1.四川省川威集團有限公司，四川成都 610100;2.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司四川分公司，四川成都 610065)

無底柱分段崩落法，因采場結(jié)構(gòu)簡單、機械化程度高，成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點，在金屬礦山獲得迅速推廣。但無底柱分段崩落采礦方法礦石是在覆蓋層廢石的包圍下放出，礦石的貧化及損失較大，且較難控制。進路斷面是影響礦石的貧化損失的重要因素之一，通過極限平衡理論，結(jié)合目前礦山巷道錨桿支護技術(shù)來合理確定進路極限寬度，對影響進路極限寬度的主要因素進行詳細分析，進而為降低無底柱分段崩落采礦法的貧化損失提供理論參考。

無底柱分段崩落法;貧化損失;極限平衡理論;極限寬度

無底柱分段崩落法自20世紀60年代初從瑞典引入，因該方法具有采場結(jié)構(gòu)簡單、機械化程度高、開采強度大、作業(yè)效率高、成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點。在金屬礦山獲得迅速推廣，特別是在鐵礦山更為廣泛，目前已占地下鐵礦山礦石總產(chǎn)量的70%左右。隨著開采向地下深部的發(fā)展，該方法的應(yīng)用有增加的趨勢;無底柱分段崩落法朝著增大采場結(jié)構(gòu)、增加一次崩礦量，采用電動、全液壓的大型無軌采礦設(shè)備發(fā)展方向。

無底柱分段崩落法采礦的特點是崩落礦石和覆蓋層廢石直接接觸，礦石是在覆蓋層廢石的包圍下從放礦口放出，回采礦石的貧化及損失較大，且較難控制。我國無底柱分段崩落法礦山的貧化率為15%～20%，礦石回收率為85%～90%，較國外同工藝的礦山貧化損失要高。因此，研究降低無底柱分段崩落法礦石貧化損失，具有一定的理論價值和實用意義［1－3］。

1 進路斷面對礦石損失貧化的影響

影響覆巖下放礦的礦石回收率和貧化率的因素有:礦巖的物理力學(xué)形狀、塊度組成、壓實程度，崩落礦石的高度，分段巷道的布置，爆破參數(shù)，進路間距、斷面等因素，其中進路斷面是影響礦石貧化損失的一個重要參數(shù)。

1.1 進路斷面形狀對礦石損失貧化的影響

井下開采中進路斷面形狀通常采用拱形和矩形兩種。拱形斷面的進路中，崩落礦石在其底板上堆積成“舌狀”，突出的“舌尖”妨礙巷道全寬上順序均勻裝礦，導(dǎo)致有效裝礦寬度縮短。而矩形巷道中，崩落的礦石堆面與其底板面的接觸是一條直線，有利于全斷面的均勻裝礦，礦巖接觸面基本保持水平下降，可以減少礦石的貧化損失。因此，井下開采中進路斷面應(yīng)采用矩形斷面。

1.2 斷面參數(shù)對礦石損失貧化的影響

根據(jù)大量的生產(chǎn)實踐可知，為了降低放礦過程中的大塊堵塞現(xiàn)象，進路巷道高度應(yīng)盡可能小，但不能小于現(xiàn)場鑿巖設(shè)備和運輸設(shè)備工作時所需的最小高度。

進路在高度一定的情況下，寬度變大，對放礦非常有利，可以有效降低貧化率、提高資源回收率，但進路的巷道穩(wěn)定性變差;巷道寬度變小，巷道穩(wěn)定性較好，但因不便于全斷面裝礦而產(chǎn)生超前貧化［4］，從而影響礦石貧化損失。

進路的寬度直接影響崩落礦石的流動性，是影響礦石貧化損失的重要因素之一。因此必須科學(xué)合理地確定進路極限寬度。

2 進路極限寬度的確定

由于井巷工程的開挖，使巷道周圍地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，導(dǎo)致巷道周邊巖體的應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，巷道水平軸線上各巖塊單元體所處的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 巷道圍巖彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

如果巷道圍巖局部區(qū)域的集中應(yīng)力超過巖體強度，則這部分圍巖在集中應(yīng)力作用下處于破碎狀態(tài);隨著向圍巖的內(nèi)部發(fā)展，圍巖受開挖的影響逐漸減小，圍巖的強度逐漸增強，直到某一深度處圍巖處于彈性狀態(tài)。這樣，隧道周圍就會產(chǎn)生一定范圍的極限平衡區(qū)［5－6］。

2.1 極限平衡區(qū)半徑的計算公式

根據(jù)彈塑性理論，圓形巷道在靜水應(yīng)力場狀態(tài)下，巷道的極限平衡區(qū)半徑R為［8］:

式中:a為巷道的當量半徑，m;g巖圍巖容重，KN/m3;H為巷道埋深，m;C為粘結(jié)力，MPa;j為內(nèi)摩擦角;Pi為支護阻力;l=(1－sinj)2sinj。

公式(1)中所涉及的力學(xué)參數(shù)通常是實驗室測定的礦巖塊的參數(shù)，而實際工程中所涉及的是礦巖體的參數(shù)?？紤]到實驗室礦巖塊同礦巖體的差異，用礦巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1對礦巖塊的力學(xué)參數(shù)進行修正。修正后的極限平衡區(qū)半徑公式為:

(2)其它參數(shù)

目前國內(nèi)支護強度較低的情況下，一般的支護強度很難有效地阻止極限平衡區(qū)的發(fā)生和發(fā)展，支護阻力Pi對控制極限平衡范圍的作用較小，計算時可以不予考慮。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1的確定

為了計算出和工程實際情況相符的極限寬度，在實驗室除做進路礦巖巖樣的常規(guī)力學(xué)實驗外，還需對現(xiàn)場的礦巖體的地質(zhì)構(gòu)造進行深入的研究調(diào)查，并進行大量的統(tǒng)計分析，從而獲得準確的巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

2.3 進路極限寬度計算公式

(1)極限平衡區(qū)深入圍巖中的深度R'。

其中:h為巷道的高度;R為極限平衡區(qū)半徑。

把式(3)帶入(2)得:

式中:K1為煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

式(2)中各參數(shù)的確定方法如下:

(1)矩形巷道的圓形標準化

由于目前巖石力學(xué)和礦山壓力的發(fā)展水平，非圓形巷道周圍應(yīng)力重新分布的理論解析還沒有達到令人滿意的結(jié)果;計算機數(shù)值模擬由于進行大量的簡化和假設(shè)而導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在一定的誤差［5］。為此，采用矩形巷道的圓形標準化法先求出巷道的當量半徑，然后利用圓形巷道的極限平衡理論進行分析計算。

當量半徑可采用外接圓半徑法來求得。作矩形巷道的外接圓，用該外接圓的半徑來表示實際巷道的特征尺寸。設(shè):巷道的寬度為2ao，高度為2h，x為高寬之比，矩形2ao×2h的外接圓半徑為:

由式(6)可知，在巖石力學(xué)參數(shù)、礦產(chǎn)埋深及巷道高度一定的情況，極限平衡區(qū)深入圍巖中的深度隨著巷道寬度的增加而增大，即巷道寬度越大，巷道越不穩(wěn)定。因此，通過對巷道進行支護，增大巷道的斷面寬度，從而降低礦石貧化率，提高礦石回收率。

(2)根據(jù)支護強度確定極限寬度

錨桿支護具有安全方便，施工速度快，支護效果好等優(yōu)勢，目前井下巷道多采用錨桿支護方式，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。利用錨桿懸吊巖石重量等于錨桿的錨固力［7］，可得出:

式中:Y為錨桿安全系數(shù);n為錨桿的間排距，m;Q為錨桿的錨固力，KN;d為錨桿的直徑，m;［st］為材料抗拉強度，MPa;w為常用錨桿的直徑，m。

根據(jù)井下巷道圍巖特性及采動影響確定巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1，同時把巖石力學(xué)參數(shù)及工程支護參數(shù)帶入式(10)即可計算出巷道的極限寬度。

3 影響進路極限寬度的主要因素

3.1 圍巖力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造影響因素

(1)圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的影響。粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角是影響巷道臨界寬度的兩個主要力學(xué)參數(shù)指標，它們直接關(guān)系到圍巖自承能力、極限平衡區(qū)半徑的大小。

(2)地質(zhì)構(gòu)造的影響。如果巷道布置在地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，圍巖存在節(jié)理、裂隙發(fā)育等特性，巷道在掘出以后，巷道穩(wěn)定性較差。因此，巷道極限寬度相對要?。?－9］。

3.2 采掘技術(shù)的影響因素

(1)巷道高度的影響。在其它條件一定的情況下，如果巷道越高，極限平衡區(qū)深入巖體中的深度就越大，松動的巖體或破碎的巖塊就越多，巷道圍巖穩(wěn)定性就越差;同時不利于放礦，從而增加礦石的貧化損失。在其它參數(shù)一定的情況下，巷道越高，其極限寬度就越小;

(2)采動影響因素。相鄰進路的掘進及相鄰采礦作業(yè)面的采動影響，如果進路受采動影響程度較深，巷道圍巖松散程度、破碎程度較嚴重，使得巷道圍巖不穩(wěn)定。如采動影響程度較大，巷道的極限寬度相應(yīng)要變小。

3.3 支護影響因素

(1)巷道的支護形式、支護參數(shù)的設(shè)計及支護強度對巷道的極限寬度都有很大的影響。如果支護形式選擇適當、支護參數(shù)設(shè)計合理，巷道圍巖的有害變形得到有效的控制，圍巖松動或破碎的巖塊被有效支護，則相應(yīng)的巷道臨界寬度要大;

(2)支護時間對巷道臨界寬度的影響。如果巷道開挖后立即進行支護，巷道圍巖的變形受支護阻擋，此時要求支護的強度和剛度足夠大才能使圍巖穩(wěn)定;如果達不到要求，則先允許巷道圍巖有一定的變形，使其壓力釋放一部分，然后再進行支護。允許圍巖有一定變形后，再進行支護，此時的巷道臨界寬要大。因此，支護時間的選擇也是影響巷道極限寬度的因素［10－11］。

綜上所述，進路臨界寬度的確定要根據(jù)巷道圍巖的力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造、井下采掘技術(shù)及支護形式與強度等因素來綜合確定。

4 結(jié)論

(1)針對無底柱分段崩落法采礦特點，分析確定進路的斷面是影響礦石貧化損失的重要因素之一。矩形斷面礦石的貧化損失要比拱形斷面小;矩形斷面的進路中，巷道高度越小，寬度越大，越有利于放礦，礦石貧化損失相應(yīng)降低。

(2)由于井下采掘活動而破壞了巷道周圍地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)，應(yīng)用極限平衡理論推出巷道圍巖極限平衡區(qū)深入圍巖的公式，而后根據(jù)錨桿支護理論推出巷道極限寬度的理論公式。

(3)影響強巷道極限寬度的因素是多方面的，從圍巖力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造因素、采掘技術(shù)因素、巷道支護因素三方面進行分析。圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角是影響巷道極限寬度的兩個主要力學(xué)參數(shù)指標;采動影響因素也是影響臨界寬度的主要因素;巷道的支護形式、支護參數(shù)的設(shè)計及支護強度對巷道的極限寬度都有很大的影響。

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Research on Drift Limit－equilibrium Width of Non－pillar Sublevel Caving

WU Xiu－yi1，LIN Yu－ming1，F(xiàn)ANG Yan－qiang2

(1.Tranvic Group，Chengdu 610100，Sichuan，China;2.T.Y.LIN SC.，Chengdu 610065，Sichuan，China)

Non－pillar sublevel caving method is popularized rapidly in metal mines，thanks to the simple stope structure，the high mechanization，the low cost，the safety mining and so on.But it is difficult to control the dilution and loss of the ore because the drawing ore is under the capping rock.The drift cross section is one of the main factors affecting the ore dilution and loss.Based on the present mine bolt supporting technology，the drift limit－equilibrium width is determined rationally through the limit－equilibrium theory.And the main factors affected the drift limit－equilibrium width are analyzed.It has some theoretical reference value in lowering the ore dilution and loss.

non－pillar sublevel caving;dilution and loss;limit－equilibrium theory;limit－equilibrium width

TD311

A

1009－3842(2011)06－0018－03

2011－09－28

吳秀儀(1979－)，男，山西省晉中市祁縣人，工學(xué)博士，采礦工程師，主要從事采礦工程與巖土工程的理論與技術(shù)研究。E－mail: wuxiuyi227@yahco.com.cn