白音呼布金屬礦采場跨度優(yōu)選與圍巖穩(wěn)定性分析

劉鵬博，劉龍寶，汪炳鋒，張 杰

(1.錫林郭勒盟山金白音呼布礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

隨著礦產(chǎn)資源開采深度的不斷加大，地下巖體的賦存條件和力學(xué)性質(zhì)更加復(fù)雜，其質(zhì)量等級和采場參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要。上向進路充填采礦法是礦山開采的常用方法，合理的采場參數(shù)是提高生產(chǎn)效率，確保礦山安全的重要前提[1-2]。對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究，專家學(xué)者做了很多研究[3-7]，其中采用半理論半經(jīng)驗的計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法最為廣泛。黃剛等[8]利用數(shù)值模擬方法研究了白象山鐵礦采場設(shè)計參數(shù)和充填體類型對采場頂板穩(wěn)定性的影響，得到了最佳進路寬度。李江等[9]對大尹格莊金礦8204采場巖體質(zhì)量進行評價，應(yīng)用圖表法和數(shù)值模擬對采場尺寸和最大跨度進行優(yōu)化。王炳文等[10]采用數(shù)值模擬法對九仗溝金礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化研究，得到上向進路采場的極限跨度為8 m。姚高輝等[11]以節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用 BARTON[12]提出的工程跨度經(jīng)驗公式得到了井下無支護采場的安全跨度。王金波、張飛等[13-15]根據(jù)礦山巖體質(zhì)量指標(biāo)，利用Mathews穩(wěn)定圖法[16]對試驗采場跨度進行穩(wěn)定性分析，對采場的參數(shù)進行優(yōu)化。

白音呼布礦山井下圍巖等級差異、地壓作用顯著，采場合理跨度的確定對縮短采場回采周期、提高生產(chǎn)效率等方面具有重要意義。以此為工程背景，建立數(shù)值模擬采場模型，基于巖體質(zhì)量評價結(jié)果對采場跨度及圍巖穩(wěn)定性進行分析，實現(xiàn)采場進路跨度的優(yōu)選。

1 工程簡介

山金白音呼布花腦特礦區(qū)位于內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗東北部，礦體主要位于礦區(qū)北部NWW向構(gòu)造蝕變破碎帶中。3056采場位于300 m中段56～58線區(qū)域，采礦方法為上向進路尾砂膠結(jié)充填采礦法。采場礦體以脈狀為主，走向NWW、傾向NNE，傾角約70 °，走向長97 m，礦石量約14.70萬t。礦體上盤為二長花崗巖，下盤為泥質(zhì)板巖，內(nèi)部節(jié)理較為發(fā)育。根據(jù)巖石質(zhì)量分級結(jié)果，該采場圍巖質(zhì)量等級為Ⅲ級。采場布置與礦體走向一致，回采長度為97 m，采場高度為50 m，采場平均寬度為10 m，無底柱、間柱，最大回采寬度為4 m，分層回采高度為3.5 m，共有13個分層，自下而上逐層回采。采場施工圖如圖1所示。

圖1 3056采場施工圖Fig.1 Working drawing of 3056 stope

2 采場跨度數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及計算

運用FLAC3D數(shù)值模擬建立計算模型，模型主要包括上盤巖體、礦體、充填采空區(qū)和下盤巖體。根據(jù)白音呼布礦山井下礦體埋深，選取+350～+300 m建立模型，坐標(biāo)軸Y為礦體走向，X軸為礦體厚度，Z軸為鉛垂方向，共劃分60 256個單元，108 329個節(jié)點，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)，模型共分為三部分，主要包括上盤巖體、下盤巖體和礦體，模型如圖2所示。

1)邊界條件

礦區(qū)模型整體施加重力場，底部施加位移邊界，巖體周邊施加梯度應(yīng)力。巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

以白音呼布礦區(qū)地應(yīng)力場模型為依據(jù)，計算得到采場模型應(yīng)力邊界的主應(yīng)力量值，主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律如圖3所示，應(yīng)力場模型見式(1)～(3)。

圖3 σh，max、σh，min、σv隨深度變化規(guī)律Fig.3 Variation of σh，max，σh，min and σvwith depth

地應(yīng)力場模型：

σh，max=0.046H-2.46

(1)

σh，min=0.021H-1.55

(2)

σv=0.025H-1.07

(3)

式中：σh，max為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh，min為最小水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；H為巷道埋深，m。

由此得到Z軸方向垂直應(yīng)力10.97 MPa，Y軸方向應(yīng)力20.74 MPa，X軸方向應(yīng)力7.28 MPa。

2)模擬方案及監(jiān)測點布置

3056采場巖體質(zhì)量等級為Ⅲ級，占礦區(qū)樣本總數(shù)的60 %，按照上向進路尾砂膠結(jié)充填采礦工藝流程模擬采場開挖充填，研究采場進路跨度分別在4、5、6、7、8 m共5種方案中的圍巖位移場與應(yīng)力場變化及塑性區(qū)擴展特征。數(shù)值模擬回采進路位于第六、七分層，每層劃分三個進路，為監(jiān)測采場開挖過程中關(guān)鍵部位的位移及應(yīng)力變化信息，在礦體各進路中部設(shè)置監(jiān)測點，如圖4和表2所示。

圖4 礦體進路中監(jiān)測點分布Fig.4 Distribution of monitoring points in ore body access

表2 采場進路監(jiān)測點編號信息統(tǒng)計

2.2 不同采場進路跨度對巖體穩(wěn)定性的影響

采用數(shù)值模擬方法模擬采場的開挖過程。開采擾動打破了初始應(yīng)力平衡，采場應(yīng)力重分布導(dǎo)致進路巷道局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂板沉降和兩幫變形會引起局部區(qū)域塑性破壞，對采場安全性影響極大。

1)采場的位移規(guī)律分析

對比不同跨度的圍巖頂板位移可以看出，各跨度的頂板下移量(17#監(jiān)測點)分別為20、28.44、34.30、45.27、58.49 mm。隨著采場進路跨度的逐漸增大，頂板位移量逐漸增大，對礦體周邊巖體穩(wěn)定性不利。采場頂板豎向位移云圖和位移變化曲線如圖5所示(篇幅所限，僅列出采場跨度為6 m的情況)。

圖5 采場的圍巖位移變化(跨度6 m)Fig.5 Displacement change of surrounding rock in stope

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對最大位移量進行統(tǒng)計，圖6為采場不同跨度對圍巖豎向位移的影響曲線。當(dāng)采場進路的跨度在6 m以內(nèi)時，隨跨度的增加，頂板位移和底鼓變化量較??；當(dāng)采場進路跨度大于6 m時，位移變化速率增大。

圖6 不同采場跨度下的圍巖豎向位移增長曲線Fig.6 Vertical displacement growth curves of surrounding rock under different stope spans

圖7 不同采場跨度下的兩幫水平位移變化曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of two sides under different stope span

1#和2#監(jiān)測點記錄了逐步開采過程中采場進路兩幫水平位移量，圖7為不同采場跨度的水平位移變化曲線。當(dāng)采場進路跨度在6 m以內(nèi)時，左右兩幫水平位移變化曲線波動相對較小；當(dāng)跨度為7 m時，位移變化曲線波動開始增大；跨度為8 m時的曲線波動最大，開挖擾動下的最大位移量達(dá)到11 mm，很可能導(dǎo)致采場兩幫圍巖出現(xiàn)片幫和剝落現(xiàn)象。

2)采場應(yīng)力變化和塑性破壞分析

采場開挖引起應(yīng)力擾動，在不同跨度的采場中，應(yīng)力集中、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力等引起的潛在破壞區(qū)域和破壞程度各不相同。根據(jù)模擬結(jié)果，采場中的最大主應(yīng)力的值隨采場跨度的增大而增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，最大應(yīng)力值分別為24.5、25.9、26.6、27.3、27.5 MPa；但進路周邊圍巖的應(yīng)力值卻呈現(xiàn)降低的趨勢。

隨著采場圍巖應(yīng)力差值逐漸增大，采場圍巖破壞程度增大。采場礦體不同跨度下的巖體塑性區(qū)發(fā)展情況如圖8所示。

圖8 不同采場跨度下巖體塑性區(qū)發(fā)展情況Fig.8 Development of plastic zone of rock mass under different spans

研究發(fā)現(xiàn)，采場進路中的充填體發(fā)生剪切破壞，促使采場塑性區(qū)擴展范圍進一步增大。因此，研究不同跨度采場進路時，先不考慮充填時刻的采場，即選取第一步開挖狀態(tài)進行研究。4 m跨度的進路圍巖剪切塑性區(qū)主要分布在進路頂板和底板部位，兩進路塑性區(qū)并未完全貫通；當(dāng)進路跨度為5 m時，塑性區(qū)擴展范圍進一步擴大，頂板部位開始出現(xiàn)張拉塑性區(qū)；當(dāng)進路跨度為6 m時，兩進路塑性區(qū)已經(jīng)完全貫通，進路兩幫局部出現(xiàn)張拉塑性區(qū)；當(dāng)進路跨度達(dá)到7、8 m時，塑性區(qū)擴展范圍進一步增大，破壞深度最大為6 m。

綜上所述，采場進路跨度超過6 m后，頂板豎向位移變化速率增大，兩幫水平位移顯著增加；采場進路塑性區(qū)擴展范圍增大，導(dǎo)致兩進路塑性區(qū)完全貫通，建議Ⅲ級圍巖采場跨度控制在6 m左右。

3 結(jié)論

1)合理的采場跨度對于井下礦產(chǎn)資源高效、安全開采至關(guān)重要，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究不同進路跨度對采場穩(wěn)定性的影響，得到了白音呼布礦區(qū)采場的位移場與應(yīng)力場變化及塑性區(qū)擴展規(guī)律。

2)根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，以采場進路監(jiān)測點位移曲線、應(yīng)力變化和塑性區(qū)是否貫通為依據(jù)，確定井下Ⅲ級圍巖采場安全跨度為6 m。

3)目前白音呼布礦區(qū)3056采場最大回采寬度為4 m，根據(jù)研究結(jié)果將Ⅲ級圍巖采場進路跨度擴大到6 m后，能夠滿足采場圍巖整體穩(wěn)定。