急傾斜礦體礦房安全跨度與自穩(wěn)時間研究*

于少峰，李公成，隋永濤，姜欣欣

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.新疆伽師縣銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000)

1 引言

拜什塔木礦區(qū)位于新疆喀什地區(qū)，為一單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡單，礦體下部變陡直立甚至倒轉(zhuǎn)。礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷層，但小的平推斷層卻比較發(fā)育，斷層線方向NE－NNE向。斷層面無明顯破碎帶出現(xiàn)。走向平直或略呈弧形，斷層間距在2～5m左右，多數(shù)未完全錯斷礦體。礦石與圍巖體重均為2.75t/m3，礦石f系數(shù)為3～5。頂板圍巖為含細粉砂巖，泥質(zhì)含量高，遇水變軟且穩(wěn)定性差;含銅礦化層巖性為灰白色中細粒鈣質(zhì)砂巖;底板圍巖為粉砂泥巖，中厚層狀。

該銅礦在開采過程中由于采場參數(shù)及支護方式應(yīng)用不當(dāng)，造成礦房垮塌，礦石回采率低及巷道變形嚴重等后果。而礦房垮塌與巷道變形主要與礦體構(gòu)造與礦房跨度有關(guān)[1]。為查明礦體開采的工程地質(zhì)條件，分析其節(jié)理裂隙分布特征及規(guī)律，實現(xiàn)主礦體安全、高效、低成本開采的目標(biāo)，開展了主礦體工程地質(zhì)調(diào)查與巖體質(zhì)量評價以及礦體礦房安全跨度與空區(qū)自穩(wěn)時間研究。

2 工程地質(zhì)調(diào)查及其巖體質(zhì)量評價

開展工程地質(zhì)調(diào)查的目的為:(1)對1#、2#礦體的上盤、下盤、礦體及巷道的變形、破壞情況進行調(diào)查，以分析礦區(qū)地壓活動狀況和發(fā)展趨勢;(2)根據(jù)礦體和圍巖節(jié)理裂隙現(xiàn)場調(diào)查資料，并將結(jié)果導(dǎo)入Dips軟件中，劃分工程地質(zhì)巖組，評價不同巖組的工程地質(zhì)條件，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗成果，進行巖體質(zhì)量評價;(3)確定合理的礦體礦房安全跨度與空區(qū)自穩(wěn)時間，為開采方案制定、支護參數(shù)優(yōu)化提供基本依據(jù)。

2.1 結(jié)構(gòu)面調(diào)查

(1)1#礦體工程地質(zhì)調(diào)查

1#礦體上盤圍巖(含細粉砂泥巖):1#礦體上盤圍巖在平均8.9m的長度范圍內(nèi)監(jiān)測到節(jié)理數(shù)為81.3條，平均節(jié)理密度為9.2條/m。優(yōu)勢節(jié)理面有兩組，其產(chǎn)狀為73°∠61°，255°∠66°，如圖 1 所示。

圖1 1#礦體上盤含細粉砂泥巖圍巖赤平極射投影

1#礦體(含銅細砂巖):1#礦體平均13 m的范圍內(nèi)監(jiān)測到節(jié)理平均條數(shù)為74條，平均節(jié)理密度為5.7條/m。優(yōu)勢節(jié)理面有兩組，其產(chǎn)狀為 33°∠61°，254°∠76°，如圖 2 所示。

圖2 1#礦體含銅細砂巖赤平極射投影

1#礦體下盤圍巖(粉砂質(zhì)泥巖):1#礦體下盤圍巖平均5.9 m的范圍內(nèi)監(jiān)測到節(jié)理平均條數(shù)為80.7條，平均節(jié)理密度為14條/m。優(yōu)勢節(jié)理面有三組，其產(chǎn)狀為 82°∠6°，259°∠16°，254°∠76°，如圖 3 所示。

圖3 1#礦體下盤粉砂質(zhì)泥巖圍巖赤平極射投影

(2)2#礦體工程地質(zhì)調(diào)查

與1#礦體類似，此處略去2#礦體的赤平極射投影圖。

2#礦體上盤圍巖(含細粉砂泥巖):2#礦體上盤圍巖平均7.3m的范圍內(nèi)監(jiān)測到節(jié)理平均條數(shù)為67條，平均節(jié)理密度為9.6條/m。優(yōu)勢節(jié)理面有一組，其產(chǎn)狀為:250°∠76°;2#礦體(含銅細砂巖):由于2#礦體采場較為危險，無法進入采場，故未對2#礦體進行測量;2#礦體下盤圍巖(粉砂質(zhì)泥巖):2#礦體下盤圍巖平均12.7m的范圍內(nèi)監(jiān)測到節(jié)理平均條數(shù)為134條，平均節(jié)理密度為10.6條/m。優(yōu)勢節(jié)理面有四組，其產(chǎn)狀為:270°∠85°，84°∠1°，60°∠13°，214°∠7°。將上述結(jié)果匯總為表 1。

表1 工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果

2.2 巖體RQD值

RQD(%)值是衡量巖體完整性的重要指標(biāo)，是指長度大于100mm的鉆孔巖芯長度之和與巖芯總長的比值[2]。

RQD(%)最大為100，最小為 0，一般而言，RQD值越大，巖體完整性越好。

通過現(xiàn)場巖石取芯得出1#、2#礦體的RQD值如表2。

表2 1#及2#礦體的RQD值

3 礦房安全跨度

礦房跨度是采場結(jié)構(gòu)中非常重要的參數(shù)?？缍冗^大時，頂板容易出現(xiàn)彎折破壞和剪切破壞，從而引發(fā)冒頂事故;但此時礦房尺寸也大，礦石回采率高。跨度小時，回采時頂板安全，但回采率低。通常，礦房的跨度越大，頂板巖體中央部位出現(xiàn)的拉應(yīng)力也就越大，當(dāng)拉應(yīng)力達到其抗拉強度極限時，頂板開始發(fā)生斷裂破壞[3]。在保持安全穩(wěn)定的前提下，礦房允許達到的最大跨度即稱為“極限跨度”，頂板的受力如圖4所示。本文從結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論、厚跨比理論及Q系統(tǒng)巖體評價來分析采場安全跨度。

圖4 礦房跨度計算的力學(xué)示意圖

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論

礦房的極限跨距可用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法求得，頂板可以簡化為兩端鉸接的簡支梁，具體如圖5所示。上覆巖層簡化為均布載荷q。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，按抗拉強度計算梁的極限跨距。

圖5 礦房跨度計算的力學(xué)模型

礦房的頂板可以視為“巖梁”，其在上部均布載荷和自重載荷作用下，“巖梁”內(nèi)部受到的剪力和彎矩分別如圖6、圖7所示。

圖6 “巖梁”的剪力圖

圖7 “巖梁”的彎矩圖

由圖6可知，在梁的兩端剪力最大，一般情況下，矩形梁的最大剪應(yīng)力發(fā)生于中性軸上，其最大剪應(yīng)力計算公式:

由圖7可知，梁的中間受到的彎矩最大，且梁中最大正應(yīng)力力σmax發(fā)生于彎矩最大的截面上，且離中性軸最遠處。由于巖體的抗拉強度一般遠小于其抗剪強度，所以用巖體的抗拉強度來計算礦房的極限跨度。其計算式為:

式中:k為礦房極限跨度，m;σ拉為頂板的抗拉強度，MPa;h為頂板的厚度，m;b為頂板的寬度，m;ρ為頂板巖體的密度，g/cm3;q為頂板承受上覆巖層的均布載荷，MPa。

將現(xiàn)場取得的的巖芯，經(jīng)過室內(nèi)實驗得到礦山現(xiàn)有巖石物理力參數(shù)如表3。

表3 礦體及上下盤圍巖物理力學(xué)參數(shù)

如圖8所示的矩形巷道，寬度為2a，高度為H。由于拱效應(yīng)，頂部可能冒落的巖石拱高為b 1，而拱周邊巖石相互擠壓[4]。

圖8 平衡拱分析示意圖

考慮半拱的平衡，對拱列出彎矩的平衡式，并考慮到附加安全儲備，最后可獲得處于安全平衡狀態(tài)時的拱高，并且此時冒落區(qū)的最大高度，即拱頂高度為:

式中:a為冒落跨度的1/2，也可以理解為采場跨度的1/2;f為巖體的堅固性系數(shù)，拜什塔木銅礦礦體f=3～5。

式中:ρ為巖石密度，2.75×103kg/m3;g為重力加速度，取值10m·s－2。

由此可計算得，a≤1.26～2.1m，即礦房跨度為不高于2.52～4.2m。這說明在礦山現(xiàn)有技術(shù)條件下，礦房跨度最高不能超過4.2m，否則極易發(fā)生礦房垮塌等事故。

3.2 厚跨比理論

根據(jù)厚跨比理論與計算方法，即頂板厚度與礦房跨度之比不能小于0.5，可得到不同的頂板厚度與礦房跨度之間的對應(yīng)關(guān)系。考慮安全系數(shù)n，可以得出不同安全條件下的礦房跨度與頂板厚度之間的關(guān)系[5]，其計算公式如下:

式中:k為礦房極限跨度，m;h為頂板厚度，拜什塔木銅礦頂板厚度一般為4～6m;n為安全系數(shù)，通常取1.3 ～1.5，取 1.4。

根據(jù)上述公式，礦房跨度也為頂板厚度的單因素函數(shù)。計算可得當(dāng)頂板厚度為4～6m時，礦房極限跨度為4.1 ～6.1m。

3.3 Q系統(tǒng)巖體評價

挪威巖土工程研究所的N.Barton等人，通過對200多個已建隧洞的資料分析，提出了隧洞支護所需的巖體工程地質(zhì)分類法。巴頓首次建立了巖體質(zhì)量指標(biāo)Q的概念，他認為決定巖體質(zhì)量的因素包括:巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD，%)、節(jié)理組數(shù)影響系數(shù)(Jn)、節(jié)理面粗糙度系數(shù)(Jr)、節(jié)理面蝕變度系數(shù)(Ja)、節(jié)理水影響系數(shù)(Jw)和地應(yīng)力影響系數(shù)(SRF)[6]。其中Q值及其評價如表4所示，且其與6個參數(shù)之間的關(guān)系可用式(7)表示。

表4 巖體質(zhì)量分類

分析如下:(1)RQD:如表2所示;(2)Jn節(jié)理組數(shù)影響系數(shù):拜什塔木銅礦的節(jié)理組數(shù)基本為2～3組，因此Jn取值為6;(3)Jr節(jié)理面粗糙度系數(shù):根據(jù)現(xiàn)場實測，節(jié)理面屬于不光滑而平直的節(jié)理，可知Jr值取1;(4)Ja節(jié)理面蝕變度系數(shù):由現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查可知Ja取值為8;(5)JW節(jié)理水影響系數(shù):由于礦山在礦體每個中段進行開采前，都會對礦體進行預(yù)排水，故現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查過程中，基本無裂隙水存在，巷道開挖時干燥，或有少量水入滲，因此JW取1.0;(6)SRF地應(yīng)力影響系數(shù):通過工程地質(zhì)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，該銅礦巖體十分松散，巖體中軟弱帶多次出現(xiàn)，SRF取值為10。

根據(jù)公式(7)，帶入已知量，可得 Q=0.12～0.16，對應(yīng)表4，可知巖體質(zhì)量屬于壞。

Barton提出以下經(jīng)驗計算公式來確定采場安全跨度[7]:

式中:W為無支護巷道最大安全跨度，m;Q為巖體質(zhì)量指標(biāo);Ez為支護比。

上式中，對于永久性礦山工程Ez=1.6～2.0;對于臨時性礦山巷道或工程，如滯后對采空區(qū)進行處理的采場可取Ez=3.0～5.0。因為拜什塔木銅礦采場空區(qū)頂板作為臨時性工程，不需要永久保留，故此處 Ez取值4.0。

將數(shù)據(jù)代入式(8)得無支護巷道最大安全跨度為3.5 ～3.9 m。

3.4 結(jié)果分析

將結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論、厚跨比理論及Q系統(tǒng)巖體評價三種方式，與現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相結(jié)合，而得出的采場安全跨度結(jié)果如表5所示。

表5 采場安全跨度

由上表可以看出:由三種理論方法得出的采場極限安全跨度最小為3.5m，最大為6.1m;所謂極限跨度，即礦房的最大跨度，故采場在進行采礦作業(yè)時，礦房尺寸應(yīng)低于此值。

4 RMR巖體評價與采空區(qū)穩(wěn)定時間研究

Bieniawski根據(jù)在沉積巖中進行地下工程開挖所得到的數(shù)據(jù)，進行分析研究后提出了巖體RMR分級方法。RMR方法的參評因素有完整巖石的強度、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件5 個參數(shù)[8]。

式中:A1為巖石強度:A1取2;A2為巖石質(zhì)量:取值13;A3為結(jié)構(gòu)面間距:從礦山實際情況來看，巖石結(jié)構(gòu)面較為密集，故選A3=8;A4為不連續(xù)結(jié)構(gòu)面特征:由工程地質(zhì)調(diào)查可以看出:巖體裂隙間存在較為軟弱的充填物，但結(jié)構(gòu)面連續(xù)且厚度較低，巖石中等風(fēng)化，故A4取值為10;A5為地下水:由于拜什塔木銅礦在開采前會預(yù)先對礦體進行排水，故隧道水量較少，巷道整體干燥，故A5取值為15;B為不連續(xù)結(jié)構(gòu)面方向修正:根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)果顯示不連續(xù)結(jié)構(gòu)面走向及傾向一般，B取值為－5。按照表6得出圍巖級別。

表6 圍巖級別劃分表

將各參數(shù)代入到公式(9)中，求得RMR結(jié)果為43，根據(jù)表6可知圍巖級別為Ⅲ，巖體質(zhì)量一般。

通過對拜什塔木銅礦的工程地質(zhì)調(diào)查與理論探究，得出其地下采場安全跨度為3.5～6.1m，故當(dāng)RMR值為43時，由采空區(qū)頂板穩(wěn)定時間[9]，如圖9。分析知頂板穩(wěn)定時間大致為1～3d。

圖9 地下采空區(qū)跨度與穩(wěn)定時間

當(dāng)采空區(qū)跨度變大時，采空區(qū)的穩(wěn)定時間就會降低。若保持礦房跨度與礦體厚度一致(如有的地方礦體厚度約為7m)，則會造成礦房在極短的時間內(nèi)垮塌，給井下作業(yè)人員造成安全隱患，并會造成礦房礦量無法采出，導(dǎo)致回采率降低。

5 結(jié)論

(1)拜什塔木銅礦礦體直接頂板巖體成分為含細粉砂泥巖、礦體為含銅細砂巖、直接底板巖體成分為粉砂質(zhì)泥巖;巖體中主要節(jié)理組數(shù)為2～3條。

(2)1#礦體上盤圍巖RQD值為75%，1#礦體RQD值為89%，1#礦體下盤圍巖RQD值55%，2#礦體上盤圍巖RQD值為73%，2#礦體下盤圍巖RQD值為69%。

(3)將結(jié)構(gòu)力學(xué)“梁”理論、厚跨比理論及Q系統(tǒng)巖體評價三種方式，與現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相結(jié)合，而得出的采場安全跨度最小為3.5m，最大為6.1m。

(4)利用RMR對巖體進行評價，得出其巖體性質(zhì)一般;且采場頂板的穩(wěn)定時間為1～3d;當(dāng)采空區(qū)跨度變大時，采空區(qū)的穩(wěn)定時間就會降低。在礦體厚度較大的位置，出現(xiàn)礦房在極短的時間內(nèi)垮塌的情況，給井下作業(yè)人員造成安全隱患，并且造成礦房礦量無法完全采出，回采率降低。

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