上向水平分層充填法礦房跨度的確定及采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

羅 瑞，馬錕輝

(1.福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院，福州 350116；2.福州大學(xué) 爆炸技術(shù)研究所，福州 350116；3.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響地下礦區(qū)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對(duì)于上向水平分層充填采礦法，礦房跨度是該種采礦方法最重要的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，若礦房跨度參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)小，那么礦石損失率貧化率將升高，礦石回收率將降低；若礦房跨度參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)大，那么礦房穩(wěn)定性將難以保證，在回采過(guò)程中，容易發(fā)生巖爆、頂板巖石垮落等大規(guī)模地壓活動(dòng)的情況。所以合理的礦房跨度是實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)高效且安全開(kāi)采的重要參數(shù)。對(duì)于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及優(yōu)化研究手段有多種。厚跨比法[1]、KB魯別涅依他公式法[2]等計(jì)算方法在礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。劉培正[3]等利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。胡高建[4]等運(yùn)用Mathews法對(duì)采場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化并在理論層面對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了判定。研究學(xué)者在確定礦房跨度時(shí)僅采用了Mathews法或有限元數(shù)值模擬，然而單一的采用Mathew法或數(shù)值模擬方法都存在一定的缺陷。

本研究以福建某礦山為研究對(duì)象，結(jié)合Mathew穩(wěn)定圖法與數(shù)值模擬方法進(jìn)行合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定；根據(jù)Mathew法首先確定礦房保持穩(wěn)定的最大跨度，然后通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析設(shè)計(jì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

1 Mathews穩(wěn)定圖法及優(yōu)化

Mathews穩(wěn)定圖法是20世紀(jì)80年代由Mathews等人基于大量工程數(shù)據(jù)所提出的，早期的Mathews穩(wěn)定圖法使用條件較為苛刻，要求礦體為深部巖體、急傾斜、巖體質(zhì)量中等穩(wěn)固以上、巖體硬度高等條件，使用時(shí)具有一定的局限性。而后經(jīng)Trueman[5]多位研究學(xué)者收集分析更多的采礦現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)Mathews穩(wěn)定圖法的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，并在該研究基礎(chǔ)上對(duì)Mathews穩(wěn)定圖進(jìn)行了修正，使得Mathews穩(wěn)定圖法在淺部巖體、緩傾斜等多種采礦工況中均能使用，大大減小了該方法的局限性。Mathews穩(wěn)定圖法的基本原理是通過(guò)計(jì)算得到巖體穩(wěn)定性指數(shù)N與采場(chǎng)形狀系數(shù)S，將N值與S值在Mathews穩(wěn)定圖中進(jìn)行投影即可確定采場(chǎng)穩(wěn)定性，或基于Mathews穩(wěn)定圖由N求得S，進(jìn)而反算出采場(chǎng)的合理礦房跨度，見(jiàn)圖1。

圖1 Mathews穩(wěn)定圖Fig.1 Mathews stability graph

2 礦房跨度參數(shù)的確定

穩(wěn)定性系數(shù)N的計(jì)算公式為：

N=QΔABC

(1)

穩(wěn)定性系數(shù)N表征了巖體保持穩(wěn)定的強(qiáng)弱，QΔ為巖體質(zhì)量指數(shù)Q考慮節(jié)理和水作用后的修正值，A表征巖石應(yīng)力系數(shù)，B表征巖體缺陷方位修正系數(shù)，C表征重力調(diào)整系數(shù)。

1)巖體質(zhì)量修正指數(shù)QΔ。可通過(guò)Q值與RMR之間的轉(zhuǎn)化公式[6]。獲得：

QΔ=e(RMR-44)/9·Jw/SRF

(2)

式中：Jw表征節(jié)理水衰減系數(shù)，SRF表征應(yīng)力折減系數(shù)。

2)巖石應(yīng)力系數(shù)A。由巖石抗壓強(qiáng)度與誘導(dǎo)應(yīng)力之比獲得：

(3)

3)巖體缺陷方位修正系數(shù)B。由圖2可得：

圖2 巖體缺陷方位修正系數(shù)B的確定Fig.2 The correction coefficient B of rock mass defect orientation

4)重力調(diào)整系數(shù)C。C值可通過(guò)采場(chǎng)暴露面的傾角α確定：

C=8-6cosα

(4)

式中，α值即為采場(chǎng)暴露面的傾角。

采場(chǎng)形狀系數(shù)S由式(5)計(jì)算可得：

(5)

式中：L為礦房長(zhǎng)度，K為礦房跨度。

Mawdesley[7]于2004年基于礦山現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定、不穩(wěn)定、崩落所占百分?jǐn)?shù)為式(6)、(7)的概率，以穩(wěn)定性系數(shù)N，采場(chǎng)形狀系數(shù)S，巖石應(yīng)力系數(shù)A，巖體缺陷方位修正系數(shù)，重力調(diào)整系數(shù)C為因子進(jìn)行回歸分析得公式(8)。

Z=α+β1X1+β2X2+···+βnXn

(6)

(7)

Z=2.960 3-1.442 7lnS+0.792 8lnR

(8)

式中：f(z)為對(duì)數(shù)概率，Z為對(duì)數(shù)幾率，α為常數(shù)，β為回歸系數(shù)。

本文根據(jù)圖1及查閱文獻(xiàn)[8]對(duì)曲線進(jìn)行擬合，求出穩(wěn)定性系數(shù)N，采場(chǎng)形狀系數(shù)S的穩(wěn)定—破壞函數(shù)表達(dá)式，見(jiàn)式(9)：

lnN=1.889 0lnS-1.209 7

(9)

3 工程應(yīng)用與分析

礦體主要分布在57～73線之間，礦體多呈走向短，傾向延伸長(zhǎng)。標(biāo)高80～130 m，埋藏深度180～440 m，礦體呈透鏡狀產(chǎn)出。礦體總體走向北西，傾向北東，傾角60°。礦體與圍巖主要由花崗巖所組成，以塊狀結(jié)構(gòu)為主，巖體的穩(wěn)定性主要取決于構(gòu)造破碎帶的發(fā)育程度和風(fēng)化程度，巖體較破碎，巖體的穩(wěn)定性較差。采礦工程主要在花崗巖體中施工，其穩(wěn)定性主要受斷裂和蝕變帶的控制，巖石總體完整性較差，巖芯一般呈短柱狀，在構(gòu)造破碎帶呈碎塊狀。巖芯采取率為60%；巖石RQD值為70%，局部地段為10%～20%。

參考礦區(qū)花崗巖RMR=50，由公式(2)可得：QΔ=1.704 3。礦巖具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。在工程實(shí)際應(yīng)用中，若巖體為上盤時(shí)，應(yīng)力系數(shù)A取值為1。

表1 礦區(qū)巖石的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山地質(zhì)人員現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查情況并結(jié)合圖2，巖體缺陷方位修正系數(shù)B取0.8。由于采場(chǎng)頂板為水平狀態(tài)，所以由式(4)可得重力調(diào)整系數(shù)C取值為2。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由公式(1)可得穩(wěn)定性系數(shù)N為2.726 8，由式(9)計(jì)算得礦房形狀系數(shù)S=3.227，礦體水平厚度即礦房采場(chǎng)長(zhǎng)度為10～30 m，礦房垂直礦體走向布置，則由穩(wěn)定—破壞函數(shù)表達(dá)式(9)可得采場(chǎng)保持穩(wěn)定的最大跨度值，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，頂板暴露面積和頂板跨度變化趨勢(shì)如圖3所示。

表2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 礦房參數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Diagram of the parameters of stope structure

由表2、圖3可以確定，礦房垂直礦體走向布置，礦房長(zhǎng)度取最小10 m時(shí)，礦房最大安全跨度為18 m。

為合理控制回采率和貧化率，取礦房長(zhǎng)度為20 m，此時(shí)礦房最大安全跨度9.5 m。礦區(qū)分層高度取5 m；花崗巖穩(wěn)定性較好，根據(jù)上向水平分層充填采礦法設(shè)計(jì)，礦房頂柱取4 m，底柱取5 m。采場(chǎng)布置見(jiàn)圖4。

4 采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬驗(yàn)證

利用SIGMA/W有限元分析程序，對(duì)上向水平分層充填采礦法的礦房進(jìn)行數(shù)值模擬，分析礦房的應(yīng)力應(yīng)變及位移。分別正面和側(cè)面建立數(shù)字模型，模型底部為固定邊界條件，四周為對(duì)稱邊界條件，垂直方向?yàn)樽灾貞?yīng)力。

由圖5能夠看出，采場(chǎng)頂板雖有小范圍的應(yīng)力集中，但整體應(yīng)力分布均勻，頂板以上區(qū)域無(wú)剪切和拉壓破壞，頂板穩(wěn)定性良好。上盤圍巖所受應(yīng)力最大值為1.8 MPa，小于花崗巖2.8 MPa抗拉強(qiáng)度，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定，與Mathews穩(wěn)定圖分析結(jié)果一致。

由圖6可以看出，垂直于礦體走向的采場(chǎng)頂板無(wú)明顯應(yīng)力集中，頂板穩(wěn)定性良好。頂板及以上區(qū)域應(yīng)力分布均勻，未出現(xiàn)剪切和拉伸破壞。最大應(yīng)力1.4 MPa，小于花崗巖2.8 MPa抗拉強(qiáng)度，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定，與Mathews穩(wěn)定圖分析結(jié)果一致。

圖4 上向水平分層充填采礦法Fig.4 Upward horizontal layered filling mining method1—頂柱；2—充填天井；3—礦石堆；4—人行溜水井；5—放礦溜井；6—主副鋼筋；7—人行溜水井通道；8—上盤運(yùn)輸巷道；9—穿脈巷道；10—充填體；11—下盤運(yùn)輸巷道

圖5 采場(chǎng)正面的應(yīng)力分布云圖Fig.5 The stress distribution cloud map on the front of the stope

圖6 采場(chǎng)側(cè)面的應(yīng)力分布云圖Fig.6 The stress distribution cloud on the side of the stope

5 結(jié)論

1)對(duì)Mathews穩(wěn)定圖法進(jìn)行改進(jìn)，確定了上向分層充填采礦法礦房保持穩(wěn)定的最佳跨度為18 m。

2)通過(guò)數(shù)值分析軟件，對(duì)礦房進(jìn)行數(shù)值模擬，并得出了與Mathews一致的分析結(jié)果。

3)采用Mathews穩(wěn)定圖法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，先通過(guò)Mathews穩(wěn)定圖法初步得出采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，再使用數(shù)值模擬對(duì)多個(gè)采礦方案進(jìn)行分析驗(yàn)證進(jìn)而得出最佳設(shè)計(jì)，這一方法能夠避免傳統(tǒng)單一方法確定礦房跨度的缺點(diǎn)，在采礦設(shè)計(jì)時(shí)具有應(yīng)用價(jià)值。