基于采動(dòng)應(yīng)力的深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)量化設(shè)計(jì)

史吉鵬

摘要：隨著科技的進(jìn)步，金屬礦床地下開(kāi)采的深度也日益劇增，采深的增加也帶來(lái)了一系列嚴(yán)重的問(wèn)題。依托巖石力學(xué)工作，對(duì)招萊金礦帶深部礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以礦山實(shí)際為典型，運(yùn)用理論解析法、經(jīng)驗(yàn)圖表法及理論計(jì)算法等方法，對(duì)焦家金礦深部礦體的采場(chǎng)跨度、長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，提出了適用于深部特殊應(yīng)力狀態(tài)下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)在采場(chǎng)寬度6 m，采場(chǎng)高度15 m時(shí)，采場(chǎng)長(zhǎng)度受兩幫穩(wěn)定性影響，最大長(zhǎng)度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m，設(shè)計(jì)礦房垂直于礦體走向布置，確保了深部開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)的穩(wěn)定性。在此設(shè)計(jì)過(guò)程中隨之形成了一套適用于空?qǐng)霾傻V法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合焦家金礦的生產(chǎn)實(shí)踐，成功對(duì)用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；采動(dòng)應(yīng)力；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)；圍巖穩(wěn)定性；量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD853．32? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-1277（2023）06-0015-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230604

引 言

深部采場(chǎng)常處于高應(yīng)力邊界條件下，施工一個(gè)圓形的開(kāi)挖結(jié)構(gòu)時(shí)，往往會(huì)在開(kāi)挖結(jié)構(gòu)周圍形成一個(gè)橢圓形的塑性破壞區(qū)［1-3］。為了對(duì)深部巷道及采場(chǎng)圍巖的采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行更加精準(zhǔn)的解算，在經(jīng)典彈性力學(xué)計(jì)算中，使用橢圓形巷道及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)圓形巷道及采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)假設(shè)，解算深部巷道采場(chǎng)的采動(dòng)應(yīng)力，但由于應(yīng)力比的增大，盡管巷道兩幫的圍巖破壞程度減小，但是其頂、底板的破裂程度有著更為明顯的擴(kuò)張［4-7］。

依托于巖石力學(xué)工作，對(duì)招萊金礦帶深部礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)以山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）為典型，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)圖表法、經(jīng)驗(yàn)公式法、理論分析法等［8-11］，計(jì)算巖體穩(wěn)定性系數(shù)和水力半徑，對(duì)焦家金礦深部礦體的采場(chǎng)跨度、長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，提出了適用于深部特殊應(yīng)力狀態(tài)下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保在深部開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

據(jù)此提出基于采動(dòng)應(yīng)力的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算方法，從深部采場(chǎng)所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，基于采場(chǎng)形狀影響因子、巖體質(zhì)量、采動(dòng)應(yīng)力［12］，構(gòu)建深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)理論解析數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸。

1 理論解析法計(jì)算采場(chǎng)尺寸

為了分析采動(dòng)應(yīng)力因數(shù)對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的影響，定義了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)最大容許形狀因子，代表采場(chǎng)頂板和兩幫最大形狀影響因子［13］。對(duì)于地下穩(wěn)定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，最大形狀影響因子（Smax）可定義為：

2 采場(chǎng)跨度設(shè)計(jì)

采場(chǎng)跨度設(shè)計(jì)是指不支護(hù)采場(chǎng)跨度或局部采取支護(hù)穩(wěn)定采場(chǎng)的跨度，不包括采用系統(tǒng)支護(hù)采場(chǎng)的跨度；局部支護(hù)指控制鄰近采場(chǎng)爆破或采礦活動(dòng)誘發(fā)原巖應(yīng)力重新分布造成采場(chǎng)產(chǎn)生的潛在破壞所采用的支護(hù)［14］。

臨界跨度是采場(chǎng)最大暴露尺寸，主要和采場(chǎng)頂板的巖體穩(wěn)定指數(shù)和采場(chǎng)形狀有關(guān)。

臨界跨度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列因素：①必須對(duì)采場(chǎng)離散楔形體進(jìn)行識(shí)別；②采用局部支護(hù)的頂板跨度；③采場(chǎng)頂板短期穩(wěn)定性（超過(guò)3個(gè)月）；④水平采場(chǎng)頂板；⑤采場(chǎng)頂板處于松弛應(yīng)力狀態(tài)，否則采場(chǎng)將發(fā)生突然垮塌；⑥臨界跨度圖適用于RMR值范圍的40 %～85 %。

就目前而言，對(duì)于采場(chǎng)跨度的設(shè)計(jì)比較常用的方法為經(jīng)驗(yàn)圖表法，理論計(jì)算法及經(jīng)驗(yàn)公式法。

2.1 經(jīng)驗(yàn)圖表法

采場(chǎng)臨界跨度（見(jiàn)圖1）為未支護(hù)采場(chǎng)或未充填采場(chǎng)上盤(pán)內(nèi)能夠標(biāo)出的最大外接圓的直徑。1994年加拿大UBC基于巖體RMR值對(duì)上向水平分層充填采礦法采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析［15］，經(jīng)多次補(bǔ)充修正，提出臨界跨度曲線法估算采場(chǎng)頂板最大跨度，通過(guò)對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行巖體地質(zhì)力學(xué)分級(jí)RMR，采用臨界跨度曲線確定采場(chǎng)臨界跨度。

2.2 理論計(jì)算法

應(yīng)用上向水平分層充填采礦法開(kāi)采緩傾斜礦體時(shí)，在采場(chǎng)頂板形成拉應(yīng)力集中，受巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)影響，易造成采場(chǎng)頂板失穩(wěn)［12］。此外，在礦房頂板中，尤其在靠近礦柱的位置處，產(chǎn)生壓應(yīng)力集中［16］。為保證回采期間采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采場(chǎng)頂板跨度時(shí)，應(yīng)使采場(chǎng)頂板中不存在拉應(yīng)力，或拉（壓）應(yīng)力值不超過(guò)巖體強(qiáng)度。

3 焦家金礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

3.1 采場(chǎng)寬度計(jì)算

由于所選擇區(qū)域階段高度為45 m，綜合考慮設(shè)計(jì)、施工和開(kāi)拓進(jìn)展等因素確定采場(chǎng)高度為15 m。根據(jù)采場(chǎng)臨界跨度設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合巖體質(zhì)量分級(jí)，利用經(jīng)驗(yàn)圖表法和經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)采場(chǎng)寬度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

利用多種理論分析法計(jì)算采場(chǎng)寬度與采場(chǎng)頂板厚度關(guān)系。從計(jì)算結(jié)果可以看出，綜合考慮經(jīng)驗(yàn)圖表法和經(jīng)驗(yàn)公式法，再結(jié)合理論分析法結(jié)果，礦體允許的跨度為5.5～11 m時(shí)，采場(chǎng)穩(wěn)定的頂板厚度為16～32 m，與采場(chǎng)高度15 m相近，綜合考慮確定采場(chǎng)的寬度為6 m。

3.2 采場(chǎng)長(zhǎng)度計(jì)算

基于采場(chǎng)寬度（6 m和8 m）和采場(chǎng)高度（15 m），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，利用公式計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)（N′），再利用改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖表計(jì)算采場(chǎng)長(zhǎng)度［15］。

1）修正后的巖體質(zhì)量指數(shù)Q′值確定。根據(jù)礦山實(shí)際所測(cè)得的巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）及現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查情況，利用公式計(jì)算礦體Q′值為5。

2）應(yīng)力系數(shù)A值確定。對(duì)于應(yīng)力系數(shù)A可以通過(guò)關(guān)于σc/σ1 的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，并且采場(chǎng)高度15 m時(shí)不同跨度采場(chǎng)頂板、兩幫的采動(dòng)應(yīng)力可以通過(guò)相關(guān)測(cè)量?jī)x器測(cè)量得到，因此，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可以求出σc/σ1 值，并根據(jù)公式計(jì)算采場(chǎng)頂板、兩幫的巖石應(yīng)力系數(shù)A值，結(jié)果見(jiàn)表2。

3）節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)B。節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)B用于闡述節(jié)理方向?qū)Σ蓤?chǎng)穩(wěn)定性的影響，與采場(chǎng)面夾角最小的節(jié)理對(duì)采場(chǎng)邊界的穩(wěn)定性起主要作用，根據(jù)節(jié)理調(diào)查結(jié)果確定調(diào)整系數(shù)B值，結(jié)果見(jiàn)表3。

4）重力調(diào)整系數(shù)C。重力調(diào)整系數(shù)C用于闡述重力對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。經(jīng)判斷采場(chǎng)破壞形式主要包括頂板的冒落破壞和采場(chǎng)兩幫屈曲破壞。根據(jù)節(jié)理調(diào)查結(jié)果確定重力調(diào)整系數(shù)C值，結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)上述計(jì)算依據(jù)公式，計(jì)算不同跨度采場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

5）采場(chǎng)尺寸確定。根據(jù)改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖表，利用各個(gè)分區(qū)邊界公式［15］，根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)N′計(jì)算結(jié)果確定穩(wěn)定區(qū)、未支護(hù)過(guò)渡區(qū)和支護(hù)穩(wěn)定區(qū)在采場(chǎng)不同跨度下頂板和兩幫處水力半徑范圍，利用公式對(duì)采場(chǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，將不同跨度下采場(chǎng)長(zhǎng)度范圍計(jì)算結(jié)果匯總至表6。再根據(jù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合礦床開(kāi)采技術(shù)條件對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同組合進(jìn)行優(yōu)選，最終確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果，在采場(chǎng)寬度6 m，采場(chǎng)高度15 m時(shí)，采場(chǎng)長(zhǎng)度受兩幫穩(wěn)定性影響，最大長(zhǎng)度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m，設(shè)計(jì)礦房垂直于礦體走向布置。

4 結(jié) 論

本文依托于巖石力學(xué)工作，對(duì)招萊金礦帶深部礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以礦山實(shí)際為典型，運(yùn)用理論解析法、經(jīng)驗(yàn)圖表法及理論計(jì)算法等方法，對(duì)焦家金礦深部礦體的采場(chǎng)跨度、長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，提出了適用于深部特殊應(yīng)力狀態(tài)下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保在深部開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)的穩(wěn)定性。得出的結(jié)論主要有：

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查及巖石力學(xué)試驗(yàn)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)礦巖的巖體質(zhì)量進(jìn)行多尺度評(píng)價(jià)，調(diào)查節(jié)理情況可知Q′為5，當(dāng)跨度為6 m時(shí)，頂板和兩幫的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.64和6.3。

2）通過(guò)理論研究與數(shù)值模擬的手段對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，形成了一套適用于空?qǐng)霾傻V法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)流程。

3）結(jié)合焦家金礦的生產(chǎn)實(shí)踐，成功對(duì)用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在采場(chǎng)寬度6 m，采場(chǎng)高度15 m時(shí)，采場(chǎng)長(zhǎng)度受兩幫穩(wěn)定性影響，最大長(zhǎng)度為30 m，考慮到礦體平均水平厚度為45 m，確定尺寸方案為6 m×15 m×22.5 m。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Abstract：With the advancements in technology，the depth of underground mining of metal deposits has been increasing，which has resulted in a series of serious problems.Based on the rock mechanics work，the structural para-meters of the deep mine area of the Zhaolai gold belt were designed.Using the theoretical analysis method，empirical chart method，theoretical calculation method，and other methods，the span and length of the deep mine area of the Jiaojia Gold Mine were calculated，and the structural parameters applicable to the special stress state in the deep area were proposed.It was found that when the width of the mine area is 6 m and the height is 15 m，the length of the mine area is affected by the stability of the two sides，and the maximum length is 30 m.Considering that the average horizontal thickness of the ore body is 45 m，the size scheme is determined to be 6 m×15 m×22.5 m，and the mine chamber is designed to be arranged perpendicular to the direction of the ore body to ensure the stability of the mine area during deep mining.In this design process，a set of design procedures applicable to the open room mining method for the structural parameters of the mine area were formed，and taking into account the production practice of the Jiaojia Gold Mine，the structural parameters of the sublevel open room filling mining method were successfully designed.

Keywords：deep mining;mining dynamic stress;stope structure;surrounding rock stability;quantitative design