陜西有色礦山的若干巖石力學(xué)問(wèn)題探討

李俊平

(西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引 言

陜西有色金屬控股集團(tuán)公司的礦山遍布渭南、商洛、漢中、寶雞等多個(gè)地市，主要分布在華州區(qū)、山陽(yáng)縣、鳳縣、商南縣、洋縣、略陽(yáng)縣、勉縣等縣市。調(diào)查發(fā)現(xiàn)各露天和地下礦山巖體的普氏系數(shù)一般介于4～8，屬于中等及其以下穩(wěn)固性的巖體類(lèi)型，按國(guó)家?guī)r體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基本屬于Ⅲ～Ⅴ類(lèi)巖體[1]。這類(lèi)巖體的特點(diǎn)是，長(zhǎng)期穩(wěn)定性強(qiáng)度低，埋深超過(guò)700 m時(shí)容易發(fā)生“剝洋蔥皮”似的脫落或開(kāi)裂、變形，鉆孔中易掉塊，有的還軟化性極強(qiáng)，甚至遇水膨脹且膨脹力較大。如果不搞清這類(lèi)巖體的地壓分布規(guī)律，盲目地實(shí)施采礦開(kāi)挖、開(kāi)采，往往會(huì)導(dǎo)致邊坡嚴(yán)重開(kāi)裂或垮塌，巷道塌方冒頂，采空區(qū)垮塌，地下開(kāi)采的采場(chǎng)發(fā)生冒頂或頂柱及間柱垮塌，巷道開(kāi)裂、變形，或發(fā)生剝落、飛石等巖爆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

為了確保安全生產(chǎn)，促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)形勢(shì)的根本好轉(zhuǎn)，有必要深刻認(rèn)識(shí)邊坡穩(wěn)定性及最終邊坡角、采空區(qū)及巷道地壓、巖爆發(fā)生條件等巖石力學(xué)問(wèn)題，以便在巖石力學(xué)原理及地壓分布規(guī)律的指導(dǎo)下合理布置巷道及采場(chǎng)、正確實(shí)施開(kāi)采與開(kāi)挖。

本文將結(jié)合陜西有色金屬控股集團(tuán)公司的實(shí)踐，逐一剖析邊坡穩(wěn)定性及最終邊坡角確定、采空區(qū)處理、巖爆治理、巷道支護(hù)、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定等巖石力學(xué)問(wèn)題的概念及治理方法，以便為安全高效生產(chǎn)提供設(shè)計(jì)和施工依據(jù)。

1 邊坡穩(wěn)定性及最終邊坡角確定

最終邊坡角有兩種定義方式。一種是露天采礦方法的定義，按經(jīng)濟(jì)合理剝采比來(lái)確定最終邊坡角；另一種是礦山巖石力學(xué)的定義，按增陡1°時(shí)臺(tái)階坡面上所產(chǎn)生的受拉區(qū)的加固費(fèi)用與減緩1°所增加的剝離費(fèi)用的比較來(lái)確定經(jīng)濟(jì)合理的最終邊坡角[1-2]。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理實(shí)踐中，一些生產(chǎn)技術(shù)管理人員往往混淆上述概念來(lái)管理露天邊坡，導(dǎo)致所留置的最終邊坡角大于礦山巖石力學(xué)所確定的最終邊坡角，因而常常誘發(fā)邊坡滑坡；或者所留置的最終邊坡角遠(yuǎn)小于礦山巖石力學(xué)所確定的最終邊坡角，因而嚴(yán)重增加了剝離費(fèi)用。上述兩類(lèi)錯(cuò)誤，在金堆城露天鉬礦仍時(shí)有發(fā)生。

設(shè)計(jì)露天邊坡，正確的方法應(yīng)該是根據(jù)產(chǎn)量確定臺(tái)階高度，再依據(jù)安全平臺(tái)寬度的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則和在臺(tái)階坡面角的合理取值范圍內(nèi)選取的臺(tái)階坡面角，結(jié)合露天坑開(kāi)采深度和底寬構(gòu)建一系列最終邊坡角逐度增大的模型，逐一分析各模型的邊坡穩(wěn)定性，并依據(jù)上述礦山巖石力學(xué)的定義確定最終邊坡角[2-3]。一般施工設(shè)計(jì)的最終邊坡角，在確保預(yù)裂爆破成坡并嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)影響的條件下，略小于前述計(jì)算確定的最終邊坡角0.5°～1°，否則，可以減小2°～3°[3]。按露天開(kāi)采概念確定的經(jīng)濟(jì)合理的最終邊坡角，應(yīng)該略小于按礦山巖石力學(xué)所確定的最終邊坡角。洋縣釩鈦磁鐵礦按此原則設(shè)計(jì)露天坑各部位的最終邊坡角，不僅確保了邊坡穩(wěn)定，而且在軟化性較大的巖體條件下各部位的最終邊坡角都不小于44°37′[2]。

邊坡穩(wěn)定性分析，過(guò)去習(xí)慣性采納極限平衡法。由于極限平衡法來(lái)源于土質(zhì)邊坡的分析，必須事先假定其內(nèi)存在一個(gè)連續(xù)的整體滑動(dòng)面；而露天邊坡往往是巖質(zhì)邊坡，由爆破開(kāi)挖而形成，其內(nèi)一般不存在連續(xù)的整體滑動(dòng)面，因此，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司采用極限平衡法分析金堆城露天邊坡的東幫及北幫，得到介于3～15之間的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)是毫無(wú)工程實(shí)際意義的[1]。邊坡穩(wěn)定性分析，目前一般應(yīng)用FLAC-3D或能計(jì)算安全系數(shù)的有限元法ABAQUS，結(jié)合坡面拉應(yīng)力區(qū)分布，考慮加固與剝離費(fèi)用，確定經(jīng)濟(jì)合理的最終邊坡角，再依據(jù)邊坡類(lèi)型所許可的安全系數(shù)來(lái)折減內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角，從而計(jì)算核準(zhǔn)安全系數(shù)[1]。

露天邊坡的開(kāi)挖爆破方式，對(duì)邊坡穩(wěn)定性維護(hù)極為重要。露天礦山形成最終邊坡時(shí)，通常采用預(yù)裂爆破成坡，杜絕應(yīng)用硐室爆破成坡而嚴(yán)重?fù)p壞最終邊坡。如果露天穿爆的同段藥量超過(guò)0.5 t，通常在預(yù)裂爆破面與穿孔爆破作業(yè)面之間還實(shí)施開(kāi)溝爆破，確保穿孔爆破的爆破震動(dòng)對(duì)最終邊坡的影響最小[1,3]。為了預(yù)防爆破震動(dòng)對(duì)最終邊坡的破壞，一般露天礦山在穿孔爆破過(guò)程中還會(huì)不定期開(kāi)展爆破震動(dòng)測(cè)試[1,3]。金堆城露天礦的實(shí)際表明，硐室爆破成坡，將在邊坡臺(tái)階上形成平行臺(tái)階坡面的環(huán)向拉裂縫，該環(huán)向拉裂縫深入到臺(tái)階坡肩以?xún)?nèi)20多米處，嚴(yán)重破壞了邊坡的穩(wěn)定性。為了確保施工簡(jiǎn)便及預(yù)裂爆破效果最佳，可以間隔2 m布置直徑約100 mm裝藥孔，并在2孔中間用牙輪鉆或大直徑潛孔鉆布置不裝藥的空心孔作為爆破裂紋擴(kuò)展的自由面；對(duì)于易軟化或普氏系數(shù)介于4左右的洋縣釩鈦磁鐵礦、金堆城露天局部邊坡，還可以在裝藥孔中全長(zhǎng)套用有切縫的鋼管或工程塑料管，通過(guò)該切縫嚴(yán)格控制預(yù)裂方向。

2 采空區(qū)處理

目前陜西有色金屬控股集團(tuán)公司除個(gè)別礦山淺部還有資源外，一般礦體埋深都超過(guò)了300 m。對(duì)于埋深如此深的礦井，根據(jù)礦體傾角、厚度及是否要求深部卸壓，可以經(jīng)濟(jì)有效地應(yīng)用切槽放頂法、V型切槽上盤(pán)閉合法、硐室與深孔爆破法[4]或急傾斜礦體開(kāi)采的采空區(qū)處理與卸壓開(kāi)采方法[5]，人為地及時(shí)控制采空區(qū)的垮塌，并充分回收地下資源、降低深部開(kāi)采地壓；待采空區(qū)垮塌基本穩(wěn)定后，一次性修復(fù)地表局部因塌陷而破壞的生態(tài)環(huán)境。采空區(qū)長(zhǎng)期存在于地下，不可能不塌陷，針對(duì)不同采空區(qū)形態(tài)應(yīng)用上述處理新方法，能及時(shí)、可控地釋放開(kāi)采地壓，處理幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)立方米的采空區(qū)一般施工費(fèi)用不超過(guò)500萬(wàn)元，在施工完畢后半年內(nèi)地表塌陷能穩(wěn)定，還可將采礦廢石及地面選礦尾砂就地排入已經(jīng)處理過(guò)的采空區(qū)。

切槽放頂法適合處理緩傾斜至水平的采空區(qū)，V型切槽上盤(pán)閉合法適合處理急傾斜薄脈采空區(qū)，硐室與深孔爆破法適合處理急傾斜厚大采空區(qū)，急傾斜礦體開(kāi)采的采空區(qū)處理與卸壓開(kāi)采方法適合上部有急傾斜采空區(qū)需要處理且深部需要實(shí)施卸壓開(kāi)采的礦山[4-6]。

對(duì)于埋深比較小且地表不準(zhǔn)許塌陷的采空區(qū)，應(yīng)該應(yīng)用充填法及時(shí)處理采空區(qū)。對(duì)于汝陽(yáng)等露天臺(tái)階下的采空區(qū)，應(yīng)測(cè)量覆巖厚度。當(dāng)覆巖厚度大于露天穿爆的安全厚度時(shí)，可以在采礦過(guò)程中應(yīng)用高臺(tái)階爆破，一次性處理采空區(qū)；當(dāng)覆巖厚度小于露天穿爆的安全厚度時(shí)，應(yīng)廢石或沙子充填采空區(qū)，以防穿爆設(shè)備及車(chē)輛掉入臺(tái)階下部的采空區(qū)而造成事故；如果采空區(qū)處在露天最終邊坡的正下方，應(yīng)該膠結(jié)充填采空區(qū)，以便確保最終邊坡的穩(wěn)定。

3 巖爆控制

巖爆傾向性及過(guò)高的支承壓力，是巖爆發(fā)生的充分必要條件。秦嶺地區(qū)一般垂直地壓超過(guò)巖體單軸抗壓強(qiáng)度的40%時(shí)，巖爆傾向性巖石會(huì)發(fā)生“剝洋蔥皮”似的剝落，無(wú)巖爆傾向性巖石會(huì)發(fā)生開(kāi)裂或大變形[1,6]。

陜西有色金屬控股集團(tuán)公司的各地下礦，當(dāng)?shù)V體埋深超過(guò)700 m時(shí)，在灰?guī)r、大理巖、片麻巖、花崗巖等巖爆傾向性巖體中掘進(jìn)、采礦時(shí)，都會(huì)發(fā)生剝落或飛石等巖爆現(xiàn)象。為了控制巖爆傷人，可以應(yīng)用急傾斜礦體開(kāi)采的采空區(qū)處理與卸壓開(kāi)采方法既處理上部采空區(qū)并回收殘礦，又實(shí)施深部采場(chǎng)的卸壓開(kāi)采，從而消除巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件[5,7]。對(duì)于緩傾斜至水平的埋深較大的礦體開(kāi)采，可以先在礦體走向的兩端根據(jù)計(jì)算的壓力拱的寬度布置巷道似采場(chǎng)，分別將這兩個(gè)巷道似采場(chǎng)的巖爆控制問(wèn)題變成巷道的巖爆控制問(wèn)題，等這兩個(gè)巷道似采場(chǎng)開(kāi)采完畢并形成了壓力拱后，再回采其之間的壓力拱下的其它采場(chǎng)，因而實(shí)現(xiàn)了其卸壓開(kāi)采[1,6]。

巷道巖爆控制，往往在掘進(jìn)斷面的輔助眼中，沿正中心及兩側(cè)接近拱腰部位呈三角形地各選取眼間距不超過(guò)2 m的1個(gè)輔助眼，實(shí)施掘進(jìn)進(jìn)尺2倍的超深鑿巖，并裝滿藥與輔助眼一同爆破[8]；而且在巷道拱腰部位的兩幫，每個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺各鑿一個(gè)深約2～2.5 m的震動(dòng)爆破孔，僅孔底裝藥1/3卷(約40～50 g)并緊密堵塞20 cm長(zhǎng)的黃泥，實(shí)施震動(dòng)爆破[9]。一般巷道幫墻震動(dòng)爆破的孔深為巷道寬度的70%～80%，巷道寬度較大時(shí)震動(dòng)孔深度取下線，否則取上線；為了避免爆破震動(dòng)損壞巷道壁面，一般震動(dòng)孔深度不小于2 m[9]。

按照上述工藝，二里河鉛鋅礦、東塘子鉛鋅礦成功控制了巷道及采場(chǎng)巖爆，文峪金礦、陳耳金礦各成功掘進(jìn)了一條埋深超過(guò)1 500 m的盲豎井，并安全實(shí)施了深部巷道掘進(jìn)。

對(duì)于煌斑巖、斑巖、頁(yè)巖、碳質(zhì)板巖、千枚巖等無(wú)巖爆傾向的巖體，埋深超過(guò)一定深度后，不會(huì)發(fā)生剝落或飛石等巖爆現(xiàn)象，但會(huì)發(fā)生巷道、頂板開(kāi)裂及變形，這是一個(gè)巷道、頂板的支護(hù)問(wèn)題。

4 巷道支護(hù)

滑鎂巖、嚴(yán)重風(fēng)化的斑巖等片理化、粉化的巖石或過(guò)斷層等破碎帶，巷道邊掘進(jìn)邊垮塌，一般無(wú)法應(yīng)用錨網(wǎng)支護(hù)，這時(shí)可以應(yīng)用長(zhǎng)9 m、直徑2.5～3.5寸的無(wú)縫鋼管或注漿后的上述無(wú)縫鋼管或22～25 mm直徑的螺紋鋼，實(shí)施超前管棚支護(hù)，然后邊掘進(jìn)邊噴射3～5 cm厚的混凝土封閉。

徐家溝銅礦的研究表明：對(duì)于滑鎂巖等遇水膨脹性較大的巖石，根據(jù)巖體厚度或松動(dòng)圈深度應(yīng)用超過(guò)其厚度的長(zhǎng)錨索，一般間隔3 m布置一排長(zhǎng)約10～15 m的長(zhǎng)錨索，每排安裝5～7根上述長(zhǎng)錨索及條形網(wǎng)鎖緊巷道斷面及方網(wǎng)，在錨索中間用排距、間距約1 m，長(zhǎng)約3 m的錨桿固定方網(wǎng)而替代鋼拱架，這樣錨噴網(wǎng)支護(hù)效果更好；對(duì)于膨脹力較小的細(xì)碧巖巷道，如果不二次采動(dòng)影響，直接類(lèi)似上述預(yù)應(yīng)力錨桿、方網(wǎng)噴漿支護(hù)即可，如果二次采動(dòng)還必須在采動(dòng)前類(lèi)似上述預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)[10]。為了控制巷道的膨脹變形，錨桿、錨索在頂、底腳處往往呈45°角安裝，錨桿、錨索都應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力分別為3 t、20 t，且在底板中部配合開(kāi)切深約700 mm、寬約800 mm的槽卸壓并填筑碎石[10]。對(duì)無(wú)膨脹變形的破碎、松散巖體，類(lèi)似上述管棚支護(hù)并噴混封閉，或澆灌鋼筋混凝土支護(hù)，可以成功控制巷道地壓[11]。

除了滑鎂巖、斑巖等片理化、粉化的巖石及斷層等破碎帶外，一般開(kāi)裂、變形的巷道應(yīng)該采納錨噴網(wǎng)支護(hù)；因采動(dòng)影響而受拉的巷道，應(yīng)該應(yīng)用預(yù)應(yīng)力約3 t的錨桿。鉛硐山、二里河的實(shí)踐表明，本中段留礦法、階段礦房法采場(chǎng)采準(zhǔn)、切割前，應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨噴網(wǎng)支護(hù)脈外巷道，脈外巷道離采場(chǎng)下盤(pán)的水平距離不應(yīng)小于12 m，否則，采場(chǎng)采礦后普通錨噴網(wǎng)支護(hù)的巷道也會(huì)發(fā)生大面積垮塌[12]。

為了經(jīng)濟(jì)有效地確保巷道穩(wěn)定，建議各礦根據(jù)自己的巖體條件及地壓，對(duì)巷道穩(wěn)定性實(shí)施分類(lèi)。各礦山的Ⅲ～Ⅴ類(lèi)巖體，可以參照如下描述分4類(lèi)，即：巖性較好、地壓不大的巷道不支護(hù)；巖性稍差或可能因開(kāi)采而出現(xiàn)微弱拉應(yīng)力區(qū)，但最大拉應(yīng)力不會(huì)超過(guò)巖體單軸抗拉強(qiáng)度的20%，且基本不太產(chǎn)生開(kāi)裂的巷道，素噴5～8 cm混凝土支護(hù)；巖性較差或因開(kāi)采地壓而只出現(xiàn)分布不密集裂紋的巷道，錨桿條網(wǎng)噴漿支護(hù)；會(huì)普遍產(chǎn)生較大的受拉區(qū)，且最大拉應(yīng)力超過(guò)巖體單軸抗拉強(qiáng)度的20%，或密集分布的裂紋將巖體切割成小塊的巷道，應(yīng)錨桿方網(wǎng)噴漿支護(hù)。

管縫錨桿的安裝原理要求錨桿直徑大于鉆孔直徑1～2 mm。在陜西有色金屬控股集團(tuán)公司各礦山的Ⅲ～Ⅴ類(lèi)巖體中應(yīng)用管縫錨桿，常常因鉆孔內(nèi)掉塊而錨桿尾部不能安裝到緊貼巖面而失效，因此工人往往讓鉆孔直徑大于錨桿外徑2～3 mm，導(dǎo)致錨桿錨固力過(guò)低或失效，常發(fā)生多根錨桿連同巖體一起垮塌。為了杜絕上述事件的發(fā)生，建議永久支護(hù)采納直徑20～25 mm的螺紋鋼樹(shù)脂錨桿全面取代管縫錨桿。一般大斷面巷道或硐室支護(hù)用直徑22～25 mm、長(zhǎng)3 m的螺紋鋼錨桿，小斷面巷道用直徑18～22 mm、長(zhǎng)2.25～2.5 m的螺紋鋼錨桿，前者采納2卷直徑20～28 mm、長(zhǎng)600 mm的樹(shù)脂卷，后者采納1卷前述的樹(shù)脂卷。錨桿安裝的鉆孔，一般采納直徑28～30 mm的鉆頭鑿巖。

5 地下開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及頂板維護(hù)

在緩傾斜至水平的房柱法、全面法生產(chǎn)采場(chǎng)，應(yīng)該應(yīng)用李俊平提出的梁跨度設(shè)計(jì)公式及點(diǎn)柱承載公式合理設(shè)計(jì)礦柱間距、點(diǎn)柱尺寸，確保頂板不垮塌，禁止全面法不規(guī)則、過(guò)大間距地布置點(diǎn)柱[1,4]。對(duì)點(diǎn)柱之間的頂板局部裂縫，可以采用錨桿、條網(wǎng)或方網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；在Ⅲ～Ⅴ類(lèi)圍巖下為了確保生產(chǎn)過(guò)程中頂板不發(fā)生局部冒落，尤其礦體埋深較大且采場(chǎng)頂板懸空跨度超過(guò)3 m時(shí)，應(yīng)在采場(chǎng)中間間隔2～3 m應(yīng)用鋼支架或20～40 t支撐力的單體液壓支柱支撐頂板。立柱支撐頂板而減跨時(shí)，若頂、底板巖石軟弱，可以給立柱“穿鞋”、“帶帽”。

留礦法、階段礦房法等空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中定性確定頂柱、間柱尺寸及采場(chǎng)長(zhǎng)度，往往是引起礦柱大量損失或者地壓過(guò)大而導(dǎo)致采場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生頂柱、間柱垮塌的主要原因。二里河鉛鋅礦的實(shí)踐表明，無(wú)論深部、還是淺部采場(chǎng)，應(yīng)用正交數(shù)值模擬研究采場(chǎng)地壓，據(jù)此確定上述頂柱、間柱尺寸及采場(chǎng)長(zhǎng)度，可以經(jīng)濟(jì)、高效地管理采場(chǎng)地壓，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)安全開(kāi)采；反之，定性地或一成不變地按照淺部采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)深部采場(chǎng)，往往會(huì)導(dǎo)致深部采場(chǎng)邊采邊垮塌而無(wú)法安全開(kāi)采[13]。

在開(kāi)采過(guò)程中，為了避免冒落事故，在傾斜及急傾斜的留礦法生產(chǎn)采場(chǎng)，應(yīng)盡量在聯(lián)絡(luò)道內(nèi)應(yīng)用水平深孔或中深孔落礦；人員不得已而必須在懸空頂板下作業(yè)時(shí)，應(yīng)該類(lèi)似上述房柱法、全面法在采場(chǎng)中間間隔2～3 m布置一排鋼支架或20～40 t支撐力的單體液壓支柱支撐頂板。為了防止支柱下陷或漏頂，可以給支柱用長(zhǎng)約3 m的30號(hào)槽鋼“穿鞋”或用長(zhǎng)約1.5～2 m的槽鋼“帶帽”。厚大礦體開(kāi)采的階段礦房法、崩落法采場(chǎng)，可以在鑿巖巷道內(nèi)上向扇形中深孔或深孔落礦，從而避免人員在懸空頂板下作業(yè)。

四方金礦、千家坪釩礦的實(shí)踐表明，崩落法采礦的分層高度、進(jìn)路間距是一對(duì)緊密聯(lián)系的參數(shù)，它們決定了放礦橢球體的形態(tài)，直接影響著放礦效果。千家坪釩礦應(yīng)用50 m中段高度及8 m進(jìn)路間距時(shí)礦體放出率不超過(guò)25%，將中段高度改為25 m后礦體放出率仍不超過(guò)46%，建議開(kāi)展分層高度12.5 m及進(jìn)路間距8 m的現(xiàn)場(chǎng)放礦試驗(yàn)，力爭(zhēng)大幅度提高礦體放出率。

6 結(jié) 論

礦山巖石力學(xué)原理是采礦方法設(shè)計(jì)及安全施工的科學(xué)根據(jù)，正確認(rèn)識(shí)采礦方法及其相關(guān)的礦山巖石力學(xué)原理及概念是確保合理確定采礦方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)及安全施工工藝的前提條件，正確認(rèn)識(shí)地壓分布規(guī)律是合理地壓管理及安全施工的主要依據(jù)。