青龍溝金礦露天轉(zhuǎn)地下采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及控制

趙興東 李懷賓 張姝婧 楊曉明 張?zhí)旌?/p>

（1.東北大學(xué)采礦地壓與控制研究中心，遼寧沈陽 110819；2.青海大柴旦礦業(yè)有限公司，青海海西 816201）

隨著露天礦山開采深度的不斷增加，露天開采變得越來越不適合礦山生產(chǎn)的要求，必須適時(shí)轉(zhuǎn)成地下開采。近年來，露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山逐漸增多，例如國內(nèi)的首鋼密云鐵礦、承鋼黑山鐵礦、銅山銅礦、鳳凰山銅礦和廣西大新錳礦等；國外主要有南非的科菲豐坦金剛石礦、澳大利亞的蒙特萊爾銅礦和加拿大的Kidd-Creek銅礦等[1]。露天轉(zhuǎn)地下其中一個(gè)突出的問題就是如何確保采場(chǎng)的穩(wěn)定性，這是地下礦山實(shí)現(xiàn)安全、高效開采的重要影響因素[2-3]。地下采場(chǎng)的穩(wěn)定性主要取決于采場(chǎng)圍巖體工程屬性、采動(dòng)應(yīng)力、采場(chǎng)形狀因子等。對(duì)于采場(chǎng)穩(wěn)定性的分析主要有經(jīng)驗(yàn)法、理論解析法、數(shù)值模擬法以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法等，例如：Choon等[4]采用穩(wěn)定性圖表評(píng)估地下采場(chǎng)的穩(wěn)定性；Kurlenya等[5]運(yùn)用模型試驗(yàn)法對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；趙國彥等[6]運(yùn)用模糊—理想點(diǎn)法，對(duì)海下采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；Grenon等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)生成3D含節(jié)理模型，采用數(shù)值分析方法分析采場(chǎng)的穩(wěn)定。

在上述研究成果的基礎(chǔ)之上，本項(xiàng)目以青龍溝采區(qū)北礦段露天轉(zhuǎn)地下開采為研究對(duì)象，采用穩(wěn)定性圖法和數(shù)值分析方法，確定采場(chǎng)穩(wěn)定性，據(jù)此提出相應(yīng)的采場(chǎng)下盤錨索支護(hù)參數(shù)，為礦山安全高效開采礦體提供理論依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)

大柴旦礦業(yè)有限公司青龍溝采區(qū)北礦段上部為露天開采，目前，露天開采已經(jīng)結(jié)束，轉(zhuǎn)為地下開采。青龍溝采區(qū)北礦段共探明4條礦體，其中M2礦體規(guī)模較大，圖1為青龍溝采區(qū)三維地質(zhì)模型。

青龍溝采區(qū)北礦段位于青龍溝復(fù)向斜的東南段，礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂較發(fā)育，總體走向?yàn)镹NW～SSE，與區(qū)域主構(gòu)造方向一致，礦區(qū)侵入巖主要為塊狀構(gòu)造，中元古代地層為薄～中厚層狀構(gòu)造。青龍溝金礦主礦體（M2）位于16250N～16550N勘探線間，形態(tài)呈北東傾的簡單板狀，向深部延伸時(shí)開始出現(xiàn)分支，傾向和走向上具有較好的穩(wěn)定連續(xù)性。礦體上盤為條帶狀大理巖，下盤為白云質(zhì)大理巖，礦體為蝕變的變質(zhì)砂巖。礦化區(qū)域厚度一般從數(shù)米至二十多米，厚度變化較大，礦體呈似層狀和透鏡狀，傾向NE，走向157°，傾角60～90°，平均78°左右，礦體平均厚度約10 m，礦體走向長675 m，傾向最大延深174 m。

根據(jù)青龍溝采區(qū)北礦段M2礦體的賦存特點(diǎn)，采用長礦房干式充填采礦方法進(jìn)行開采（見圖2），采場(chǎng)高度設(shè)計(jì)為20 m，采用中深孔連續(xù)爆破后退式落礦，對(duì)出礦形成的空區(qū)進(jìn)行連續(xù)干式充填。該采礦方法的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)爆破落礦、出礦和連續(xù)充填空區(qū)。理論上，該采礦方法沒有采場(chǎng)長度限制，這將大大減少切割天井?dāng)?shù)量，具有達(dá)產(chǎn)快、循環(huán)時(shí)間短，便于機(jī)械化施工，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，能夠獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

利用測(cè)線法對(duì)青龍溝采區(qū)北礦段礦巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，其分布情況見表1。根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查結(jié)構(gòu)，采用Q、RMR和GSI分級(jí)方法對(duì)礦巖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（表2），利用經(jīng)驗(yàn)公式獲得礦巖力學(xué)參數(shù)[8]（表3）。

2 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析及支護(hù)設(shè)計(jì)

采用穩(wěn)定性圖法和數(shù)值模擬法對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出合適的錨索支護(hù)方案。

2.1 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

1980年Mathews等人基于50個(gè)工程實(shí)例提出Mathews穩(wěn)定性圖，是一種評(píng)估采場(chǎng)穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具，適用于埋藏1 000 m以內(nèi)的采礦設(shè)計(jì)。由于 初始的假設(shè)所依據(jù)的數(shù)據(jù)量較少。1980年以后，Pot-vin、Stewart和Trueman等人從不同的開采深度（大部分小于1 000 m）收集了大量新的數(shù)據(jù)，對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并不斷對(duì)其進(jìn)行修正[9-11]。

?

?

?

Mathews穩(wěn)定性圖法主要以穩(wěn)定性指數(shù)N′和水力半徑R計(jì)算為基礎(chǔ)，其中，穩(wěn)定性指數(shù)N′代表巖體在給定應(yīng)力條件下維持采場(chǎng)穩(wěn)定的能力，水力半徑R反應(yīng)了采場(chǎng)的尺寸和形狀。

采場(chǎng)穩(wěn)定性指數(shù)N′[12]定義為

式中，Q′為修正后的巖體質(zhì)量系數(shù)；A為巖石應(yīng)力系數(shù)，由完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與采場(chǎng)最大主應(yīng)力σ1的比值確定，參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行求解；B為節(jié)理方位修正系數(shù)，其值由采場(chǎng)面傾角與主要節(jié)理組的傾角之差來度量，參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行求解；C為設(shè)計(jì)采場(chǎng)暴露面的重力調(diào)整系數(shù)，反映重力對(duì)采場(chǎng)巖體穩(wěn)定性的影響，參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行求解。青龍溝金礦穩(wěn)定性系數(shù)N′計(jì)算值見表4。

?

采場(chǎng)水力半徑R可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，a為待分析采場(chǎng)的頂幫或者采空面的橫截面積；l為待分析采場(chǎng)頂幫或者采空面的周長。

將表4中計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)N′值繪制到Mathews穩(wěn)定性圖中（圖3），已知采場(chǎng)跨度和高度分別為10 m和20 m；根據(jù)穩(wěn)定性圖得出未支護(hù)采場(chǎng)和支護(hù)時(shí)保持穩(wěn)定的水力半徑值以及對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)走向長度，列于表5。

?

由圖3和表5可知，未支護(hù)采場(chǎng)頂板、上下盤保持穩(wěn)定的長度分別為52.5 m、35.84 m和12.11 m，其中，下盤不支護(hù)下穩(wěn)定長度較短，不能滿足礦山生產(chǎn)需求。因此，采場(chǎng)下盤需要進(jìn)行錨索支護(hù)，其中水力半徑取支護(hù)穩(wěn)定區(qū)的下限；當(dāng)采場(chǎng)下盤支護(hù)后，允許暴露的采場(chǎng)下盤走向長度為37.4 m。青龍溝采區(qū)北礦段采場(chǎng)高20 m，充填廢石的自然安息角約40°，充填廢石至采場(chǎng)未爆破段的水平距離為23.8 m。最終確定，錨索支護(hù)采場(chǎng)后采場(chǎng)下盤的最大可能暴露距離為34 m。

2.2 采場(chǎng)下盤錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

Hutchinson 和Diederichs[13]根據(jù)楔形塊拱（梁）理論計(jì)算錨索的間距，錨索使巖體成為具有自承能力的拱或梁，抵抗巖體彎曲變形，提出了以穩(wěn)定性指數(shù)N′為縱坐標(biāo)和水力半徑R為橫坐標(biāo)的等面積模式的錨索設(shè)計(jì)間距圖表（圖4（a））；通過對(duì)頂板加固拱、梁的穩(wěn)定性分析以及上覆巖層自重的計(jì)算，當(dāng)錨索的錨固長度超出破壞區(qū)域2 m時(shí)，能夠確保破壞區(qū)域的穩(wěn)定。如果進(jìn)一步增加錨索的長度，亦不能提高錨索的支護(hù)效果。因此，常規(guī)錨索設(shè)計(jì)長度見圖4（b）。具體錨索支護(hù)參數(shù)見表6。

?

由于青龍溝金礦沒有錨索支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，基于安全考慮，錨索網(wǎng)度取2.0 m×2.0 m，結(jié)合其他礦山錨索支護(hù)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件，錨索長度取8 m。錨索支護(hù)示意圖見圖5。試驗(yàn)采場(chǎng)長錨索直徑為φ17.8 mm的鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa；錨索孔深8.5 m，孔徑φ56 mm。采用普通425#硅酸鹽水泥，水灰比0.4∶1，水泥漿全長錨固，錨索結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表7。錨索安裝形式是方形；下盤支護(hù)時(shí)，錨索的安裝角度與下盤大約呈30°～40°夾角。

3 數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)圖表法設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)采場(chǎng)支護(hù)前后圍巖的位移和塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，特別是錨索支護(hù)前后采場(chǎng)下盤的水平位移和塑性區(qū)變化情況。

?

3.1 數(shù)值模型建立

本研究綜合3Dmine、MIDAS/GTS和FLAC3D在建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析等方面的優(yōu)越性，建立了數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)值模型尺寸：X方向長800 m，Y方向長1 400 m，Z方向平均高度900 m（地表起伏無確定值），共有228 684個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 355 319個(gè)單元體，如圖6所示。模型邊界采用位移約束，模型四周限制水平方向的位移，模型底邊界限制X、Y和Z方向的位移，模型上部邊界設(shè)置成自由面，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

計(jì)算采場(chǎng)圍巖的位移和塑性區(qū)分布見圖7和圖8所示，并把采場(chǎng)未支護(hù)以及支護(hù)后下盤圍巖最大水平位移及最大塑性區(qū)列于表8。

?

從圖7可以看出，采場(chǎng)未支護(hù)時(shí)，下盤最大水平位移為19.3 mm，變形較小，而采場(chǎng)下盤塑性區(qū)范圍較大，說明采場(chǎng)存在穩(wěn)定性問題，數(shù)值計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測(cè)的結(jié)果一致。

從圖8可以看出，采場(chǎng)下盤采用長錨索支護(hù)后，下盤的最大水平位移以及塑性區(qū)范圍均顯著減小，最大水平位移由19.3 mm減小為11.6 mm，塑性區(qū)由3.5 m減小為1.5 m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，錨索支護(hù)能夠確保采場(chǎng)下盤巖體穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

通過對(duì)青龍溝金礦北段進(jìn)行詳實(shí)的工程地質(zhì)調(diào)查、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖體質(zhì)量分級(jí)、巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算，采用穩(wěn)定性圖法和數(shù)值分析法，對(duì)青龍溝采區(qū)北礦段采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用Mathews穩(wěn)定性圖，計(jì)算得出在未支護(hù)的情況下，采場(chǎng)頂板、上盤和下盤保持穩(wěn)定的最大長度分別為52.5 m、35.84 m和12.11 m，其中，下盤不支護(hù)保持穩(wěn)定的長度較短，不能滿足礦山生產(chǎn)的需求。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工條件，確定采場(chǎng)的最大可能暴露長度34 m，數(shù)值模擬結(jié)果表明采場(chǎng)下盤出現(xiàn)較大范圍的塑性破壞，二者結(jié)果相一致。

（2）運(yùn)用錨索支護(hù)圖法，確定采場(chǎng)下盤的支護(hù)參數(shù)為：網(wǎng)度2.0 m×2.0 m，錨索長度8 m。通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證得出，下盤采用錨索支護(hù)后水平位移和塑性區(qū)范圍都明顯減小。