預控頂分段空場嗣后采場頂板穩(wěn)定性分析

王 洋，宋衛(wèi)東，譚玉葉，方暄東，夏 鴻

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；3.武鋼礦業(yè)有限責任公司金山店鐵礦，湖北大冶435116）

預控頂分段空場嗣后采場頂板穩(wěn)定性分析

王 洋1，2，宋衛(wèi)東1，2，譚玉葉1，2，方暄東3，夏 鴻3

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；3.武鋼礦業(yè)有限責任公司金山店鐵礦，湖北大冶435116）

頂板的穩(wěn)定性直接關(guān)系到嗣后采場的整體安全，以金山店鐵礦為工程背景，通過理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，對分段空場嗣后頂板穩(wěn)定性及其預控頂控制技術(shù)進行研究分析，確定合理的頂板參數(shù)，滿足頂板整體穩(wěn)定性與生產(chǎn)設備的適用性要求。

預控頂；空場；頂板穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

隨著地下礦山采用充填法開采逐漸成為國家政策主導的發(fā)展趨勢，分段空場嗣后充填法在國內(nèi)的新建礦山與崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的礦山中得到了廣泛的應用［1-4］。分段空場嗣后充填法遵循各分段爆破落礦、底部集中出礦、下分段開采滯后上分段回采、階段集中充填的原則，具有生產(chǎn)效率高、資源回采強度大等優(yōu)點。但分段空場嗣后充填法由于采場高、開采擾動應力大、空場存在周期長等特點，所以對礦巖穩(wěn)固性的要求較高［5］。

采場結(jié)構(gòu)關(guān)鍵體包括頂板和礦柱，頂板與礦柱的穩(wěn)定性直接決定嗣后采場的整體安全，從而決定了分段空場嗣后充填法能否成功應用。其中，頂板的失穩(wěn)破壞嚴重阻礙了分段空場嗣后充填法的推廣發(fā)展，新疆阿舍勒銅礦［6］650m中段破碎圍巖礦體，采用分段空場嗣后充填法的采場發(fā)生垮塌，提出了預控頂技術(shù)方案，即在采場開采之前，采用長錨索和噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護加固圍巖。貴州用沙壩磷礦［7］巷道頂板節(jié)理裂隙比較發(fā)育的采場，采用預應力長錨索護頂。因此，進行采場頂板穩(wěn)定性及其控制技術(shù)的研究，合理確定采場頂板的安全厚度與極限跨度，對保障采場安全生產(chǎn)、提高開采效益有重要的意義。

本文在金山店鐵礦西區(qū)充填法試驗采場的工程背景下，通過理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，對分段空場嗣后頂板穩(wěn)定性及其預控頂控制技術(shù)進行研究分析，確定合理的頂板參數(shù)，滿足頂板整體穩(wěn)定性與生產(chǎn)設備的適用性要求。

1 工程背景

金山店鐵礦西區(qū)選擇位于19-1＃～25?？碧骄€之間的701、703礦塊開展充填法工業(yè)試驗，采用分段空場嗣后充填采礦法，開采深度為標高-368～-396m。-354m以上為崩落法采場，-354～-368m留有14m的隔離頂柱。圖1是采場工程布置縱投影圖。

圖1 充填法采場布置縱投影圖Fig.1 Vertical projection of stope layout with filling method

開采范圍內(nèi)礦體主要為浸染狀磁鐵礦，其次為塊狀磁鐵礦，塊狀與浸染狀磁鐵礦礦石結(jié)構(gòu)致密堅硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，屬中等穩(wěn)固性礦石。粉狀磁鐵礦分布較少，屬穩(wěn)固性極差的礦石。礦體的主要頂?shù)装鍘r石中，石英閃長巖屬穩(wěn)固性好的巖石；矽卡巖、泥質(zhì)黑云母角巖巖性軟硬不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬穩(wěn)固性差的巖石。

回采過程中，10＃采場出現(xiàn)了大量的覆蓋層巖石，經(jīng)實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在頂板上方存在一條斷裂破碎帶，由于爆破振動，寬度不斷擴大，隔離頂柱貫通，使覆蓋層巖石不斷通過斷裂帶進入10＃采場，造成了礦石的損失貧化。同時，造成頂板垮落，無法形成采空區(qū)，后期充填無法正常進行。

經(jīng)過討論研究，提出長錨索預控頂?shù)闹ёo方案，即在-368m采場進路中進行長錨索補強支護，錨索索體采用直徑15.2mm的鋼絞線，長9m，每排布置6根錨索，排距2m。但是在接下來開采的8＃采場中，在-396m水平的塹溝中發(fā)現(xiàn)了失穩(wěn)破壞的控頂錨索。所以現(xiàn)在需要對頂板的參數(shù)進行校核，對頂板穩(wěn)定性及其預控頂支護技術(shù)進行研究分析。

2 采場頂板無支護安全厚度

對于一些采用崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的礦山，上、下階段隔離層的穩(wěn)定直接影響到上、下階段作業(yè)人員和生產(chǎn)設備的安全。隔離層合理厚度的選擇是保證其穩(wěn)定性的主要因素。對隔離層厚度的確定，通常有以下幾種：普氏拱理論、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學梁理論。

不同的計算方法對于影響因素的側(cè)重略有不同，厚跨比法側(cè)重礦房寬度，結(jié)構(gòu)力學梁理論主要側(cè)重頂板礦巖的抗拉強度，而普氏拱理論綜合考慮了礦房寬度、礦柱高度、礦巖堅固系數(shù)以及內(nèi)摩擦角，因而分析嗣后采場穩(wěn)定性更適宜［8］。

普氏拱理論認為，礦房開采完后形成的空區(qū)，其頂部圍巖將形成自然拱、壓力拱和破裂拱。嗣后采場由于自身的穩(wěn)定性發(fā)生變形破裂，其空區(qū)破裂拱拱高可用式（1）表示。

式中：a—礦房寬度，m；h—礦柱高度，m；φ—巖石內(nèi)摩擦角，°；f—礦巖堅固性系數(shù)。

經(jīng)分析，一般崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的礦山，當其充填采場礦房寬度小于20m，且?guī)r石堅固性系數(shù)大于4，內(nèi)摩擦角大于30°時，過渡層厚度大于10m即可滿足安全條件。對于礦巖性質(zhì)較好或采場結(jié)構(gòu)參數(shù)較小的礦山，可適當減小隔離層厚度。

以金山店鐵礦張福山礦體西區(qū)為工程背景，在原有的采準工程條件下，為便于生產(chǎn)管理可將無底柱分段崩落法的最后一個分段作為隔離過渡層，即14m。作為主要礦體成分，浸染狀磁鐵礦堅固性系數(shù)為5，內(nèi)摩擦角為30.56°，選擇14m的隔離過渡層，能夠滿足普氏拱理論的要求。

3 采場頂板無支護安全跨度

3.1 利用巖體質(zhì)量分類Q系統(tǒng)確定頂板安全跨度

利用評價巖體質(zhì)量分類的Q系統(tǒng)能夠經(jīng)驗地計算出地下工程無支護條件下的極限跨度［9］，采場頂板無支護極限跨度L、Q值與支護比ESR值存在以下經(jīng)驗關(guān)系：

式中：L—采場頂板無支護極限跨度，m；ESR—開挖體支護比，對于臨時性礦山巷道或工程，如滯后對采空區(qū)處理的采場可取3～5；Q—巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)評分值。

以組成西區(qū)礦體主要成分的浸染狀磁鐵礦為例，巖體質(zhì)量分類Q值為1.95，經(jīng)計算，采場頂板無支護極限跨度為7.8～13.1m。

3.2 利用簡支梁理論確定頂板安全跨度［10］

將采場頂板假設為兩端簡支梁（見圖2），根據(jù)材料力學，巖梁中性軸上、下表面上任意一點的應力為：

式中：α—礦體傾角，°；l—巖梁跨度，m；h—巖梁高度，m；γ—巖體容重，×104N/m3。

圖2 巖梁受力分析簡圖Fig.2 Force analysis of rock beam

經(jīng)計算，頂板傾向的最大允許跨度為：

頂板沿走向的最大允許跨度為：

式中：σt—巖體抗拉強度，MPa。

試驗采場垂直礦體走向布置，頂板安全跨度即是頂板沿走向的最大允許跨度，同樣以浸染狀磁鐵礦為例，巖梁高度h為14m，巖體抗拉強度σt為0.1MPa，容重γ為3.27×104N/m3，經(jīng)計算，頂板安全跨度L＝7.6m。

4 預控頂采場頂板穩(wěn)定性分析

4.1 模擬方案設計

考慮到現(xiàn)有高效無軌采礦設備的使用，以及采場生產(chǎn)能力的要求，設計采用的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不能太小，而無支護條件下的頂板安全跨度在10m以下，故需要采取適當?shù)闹ёo，提高采場頂板的穩(wěn)定性，盡可能地提高生產(chǎn)效率，滿足生產(chǎn)要求。

本次模擬選擇10、12、15m三種采場跨度，隔離頂板厚度均為14m，礦柱高度均為28m，支護形式為頂板上方巷道噴錨支護的基礎上補強長錨索，如圖3所示。以西區(qū)試驗采場為工程背景，巷道間距12m，而上部崩落法采場巷道間距是16m，故空間上相互錯開，降低了長錨索的預控頂效果，另外10＃采場存在明顯的礦巖破碎帶，導致垮冒，隔離層貫穿，在預控頂采場頂板穩(wěn)定性的分析中，不具有代表性。故為了更加典型地比較分析三種跨度采場的穩(wěn)定性，本部分數(shù)值模擬僅針對預控頂巷道位于采場中央位置且不存在明顯破碎帶的采場，即圖3中（a）、（c）礦房Ⅱ與（b）礦房Ⅰ的采場布置形式。

圖3 三種尺寸跨度采場布置圖Fig.3 Layout of stopes with three dimension spans

4.2 數(shù)值模型建立

模擬采場垂直礦體走向布置，數(shù)值模型見圖4，采用FLAC3D軟件摩爾—庫侖彈塑性模型，礦體以浸染狀磁鐵礦為主，上盤圍巖主要為矽卡巖，下盤圍巖主要是石英閃長巖，上部為崩落法覆巖，下部為充填法采場，留有14m隔離頂柱。崩落覆巖上盤移動角59°，下盤移動角70°，礦體傾角75°，礦體水平厚度40m。具體模型尺寸為長×寬×高＝300m× 180m×140m。

本次計算采用的礦巖物理力學參數(shù)見表1，簡化了底部出礦結(jié)構(gòu)，只分析一步采礦房全部采出且未及時充填前的采空區(qū)穩(wěn)定性。根據(jù)張福山礦區(qū)實測地應力推斷，該中段最大主應力σ1、最小主應力σ3與原巖應力σv大致存在以下關(guān)系：σ1＝1.938σv，σ3＝0.336σv。而σv＝γH，經(jīng)計算，模型底部（-440m水平）各原巖應力值為：σxx＝27.88MPa，σyy＝4.83MPa，σzz＝14.39MPa。

圖4 數(shù)值計算模型Fig.4 Model of numerical calculation

4.3 模型結(jié)果分析

對于頂板，其穩(wěn)定性往往受到拉應力控制，表現(xiàn)為位移的增加及塑性破壞，因此主要從塑性區(qū)、頂板位移及拉應力情況分析支護效果。由于文章篇幅所限，如下以12m礦房跨度未支護與支護兩種條件為例進行模型結(jié)果分析。

1）應力分布情況分析

圖5（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護與支護兩種條件下的豎向應力云圖，從圖中可以看出，礦房Ⅰ的開挖擾動引起了采場周邊應力的重新分布，分布形式是從靠近礦房區(qū)向周圍兩側(cè)及頂板上方擴大，在緊靠開挖區(qū)域的頂板下方應力卸壓區(qū)出現(xiàn)拉應力，在頂板上方的兩角出現(xiàn)應力集中。頂板采用錨索支護后，應力集中區(qū)域與應力卸壓區(qū)的面積均有所減小，最大主應力由13.9MPa減小到12.2MPa，最小主應力由0.05MPa減小到0.04 MPa。實際上，最小主應力往往代表著圍巖內(nèi)向拉應力區(qū)發(fā)展的趨勢，支護后的頂板拉應力區(qū)域明顯減小，且拉應力數(shù)值減小。

表1 礦巖體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ore and rock

圖5 豎向應力云圖Fig.5 Contour of vertical stress

2）位移分布情況分析

圖6（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護與支護兩種條件下的豎向位移云圖，從圖中可以看出，開挖完的礦房Ⅰ上下方頂?shù)字谐霈F(xiàn)了位移方向相反的情況，頂柱巖層位移方向向下，底柱巖層位移方向向上。頂板采用錨索支護后，礦房Ⅰ上下方頂?shù)字谐霈F(xiàn)的最大位移量均有所減小，頂板最大變形量由5.9cm減小到5.1cm，且變形面積明顯減小，即錨索預控頂支護對減少頂板整體變形量有明顯的效果。

圖6 豎向位移云圖Fig.6 Contour of vertical displacement

3）塑性區(qū)分布規(guī)律

圖7（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護與支護兩種條件下的塑性區(qū)分布圖，從圖中可以看出，開挖完的礦房Ⅰ頂?shù)字霈F(xiàn)較大程度的剪切破壞與拉伸破壞，礦柱兩幫塑性區(qū)較小，進行錨索預控頂支護后，頂板周圍塑性破壞區(qū)域面積明顯減小，基本可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Diagram of plasticity region

4）模擬方案對比分析

建立10、12、15m三種采場跨度的開挖模型，通過比較三種模型支護前后開挖計算出的最大豎向應力值、最大豎向位移量及塑性區(qū)體積（如表2），確定合適的采場跨度參數(shù)。

表2 三種計算模型的最大豎向應力值、最大豎向位移量及塑性區(qū)體積Table 2 Maximum szz，maximum z-displacement and volume of plasticity region of the three models of calculation

由表中數(shù)據(jù)可以看出，頂板厚度一定時，礦房跨度越大，開挖后頂板的最大豎向應力值、最大豎向位移量及整個模型的塑性區(qū)體積都越大。綜合比較分析豎向應力、位移及塑性區(qū)分布，預控頂后10m跨度與12m跨度的最大豎向應力值較接近，而15m跨度的應力值較前二者相對更大；最大豎向位移量的比較結(jié)果類似，即15m跨度的最大位移量出現(xiàn)驟增，較前二者的位移量大的多；而三種跨度開挖模型的塑性區(qū)體積隨跨度的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增大的趨勢，無明顯驟變現(xiàn)象。

綜合考慮三種礦房跨度預控頂條件下開挖后的數(shù)值模擬結(jié)果以及礦山高效無軌設備的充分利用，在變形允許程度內(nèi)，滿足頂板整體穩(wěn)定的要求，最終確定采場跨度參數(shù)為12m。

5 結(jié)論

1）以金山店鐵礦張福山礦體西區(qū)為工程背景，在原有的采準工程條件下，為便于生產(chǎn)管理可將無底柱分段崩落法的最后一個分段作為隔離過渡層，即14m，能夠滿足普氏拱理論的要求。

2）利用巖體質(zhì)量分類Q系統(tǒng)與簡支梁理論，以礦體主要成分浸染狀磁鐵礦為例，確定采場頂板無支護安全跨度為8m左右，超過此安全跨度后應進行合理的有效支護。

3）通過FLAC3D數(shù)值模擬的手段，建立10、12、 15m三種跨度預控頂條件下礦房開挖后的計算模型，綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果以及礦山高效無軌設備的充分利用，在變形允許的程度內(nèi)，滿足頂板整體穩(wěn)定的要求，最終確定采場跨度參數(shù)為12m。

［1］李克順，吳 姍，宋衛(wèi)東.大冶鐵礦充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)校核與建議［J］.金屬礦山，2010（5）：16-20.

［2］余海華，宋衛(wèi)東，唐亞男，等.階段空場嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及充填配比優(yōu)化［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（6）：10-14.

［3］田舉博，蔡 蓓.分段礦房嗣后充填法在李樓鐵礦的應用［J］.金屬礦山，2012（6）：19-21.

［4］韓春雨，包東程，冷寒松，等.分段鑿巖階段空場嗣后充填法在寺莊礦的應用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2013（10）：90-93.

［5］宋衛(wèi)東，徐文彬，萬海文，等.大階段嗣后充填采場圍巖破壞規(guī)律及其巷道控制技術(shù)［J］.煤炭學報，2011（增刊2）：287-292.

［6］李安平，劉洋樹，皇甫風成，等.破碎圍巖礦體預控頂分段空場嗣后充填法的研究與實踐［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2014，34（1）：1-3.

［7］廖九波.中厚急傾斜破碎磷礦體安全高效開采技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學，2013.

［8］徐文彬，宋衛(wèi)東，杜建華，等.崩落法轉(zhuǎn)階段嗣后充填法采場穩(wěn)定性分析［J］.北京科技大學學報，2013，35（4）：415-422.

［9］薛改利，高 謙，楊志強.階段嗣后充填采充過程穩(wěn)定性分析與充填體強度匹配研究［J］.有色金屬（礦山部分），2013，65（5）：11-14.

［10］李俊平，馮長根，郭新亞，等.礦柱參數(shù)計算研究［J］.北京理工大學學報，2002，22（5）：662-664.

Stability analysis of roof in stope with sublevel open and subsequent pre-controlling roof technology

WANG Yang1，2，SONG Weidong1，2，TAN Yuye1，2，F(xiàn)ANG Xuandong3，XIA Hong3
（1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；3.Jinshandian Iron Mine，Wuhan Steel Group Mining Co.，Ltd.，Daye Hubei 435116，China）

The overall safety of subsequent stope is directly related to roof stability.Based on engineering background of Jinshandian Iron Mine，the roof stability and the pre-controlling technology of sublevel open and subsequent stope are studied by combining theoretical calculations and numerical simulation.And the reasonable parameters of roof are determined with meeting the demands of the overall stability of roof and the applicability of production equipment.

pre-controlling roof；open stope；roof stability；numerical simulation

TD322

Α

1671-4172（2015）06-0001-05

國家自然科學基金資助項目（51374033）；教育部博士點基金（20120006110022）

王 洋（1990-），男，碩士研究生，礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事金屬礦山充填采礦工藝以及巖石力學方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.001