黃金洞金礦斷層破碎帶內(nèi)礦體開采巖層控制技術(shù)應(yīng)用研究

李偉明，王阡，王翔，宋陽，胡軍偉，劉釗君

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司， 山東 臨沂市 277712)

黃金洞金礦位于平瀏大斷裂東側(cè)，復(fù)向斜北翼的東西向與北北東向構(gòu)造交匯部位。主要構(gòu)造形跡為北西西向倒轉(zhuǎn)復(fù)式背向斜構(gòu)造，并形成一系列大致平行其軸向的斷層擠壓破碎帶，這些擠壓破碎帶呈東西向或呈北西西至南東東向展布，成群成組控制金礦產(chǎn)出。區(qū)域變質(zhì)主要有蝕變類型和裂隙式熱液蝕變類型兩種。區(qū)內(nèi)皺褶斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層破碎帶主要為蝕變破碎板巖及石英脈。斷層破碎帶頂、底板節(jié)理發(fā)育，斷層破碎帶寬 0.2～21 m，斷層兩盤均為冷家溪群板巖。

1 礦體開采技術(shù)條件

黃金洞金礦有兩種不同開采技術(shù)條件類型的礦體。

（1）金塘坑口的 1號(hào)脈。該中段內(nèi)礦體屬于緩傾斜的薄礦體，礦體平均厚度為2 m左右，傾角為10°～30°，下部偏緩只有10°左右，上部偏陡達(dá)到約30°。礦體和圍巖界限明顯，礦體金品位為1～2 g/t。

（2）華家灣坑口的 3號(hào)脈。該處礦體為傾斜礦體，為一典型石英脈型含礦類型，圍巖為板巖類型，礦體厚度為2～3 m，局部少量達(dá)到4 m，礦體傾角為40°～50°，金礦品位為3.5～5 g/t，上盤破碎帶品位為1.5 g/t。

該礦板巖為良好隔水層，地表水體、第四系孔隙水對(duì)礦床充水有間接影響，確定該礦床水文地質(zhì)屬簡(jiǎn)單類型。

通過對(duì)該礦巖體的工程地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試，最終確定礦區(qū)各巖體工程地質(zhì)條件類型見表1。

表1 礦區(qū)巖體分級(jí)匯總

2 推薦的采礦方法及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過對(duì)比分析，推薦金塘坑口的1號(hào)脈采用傾斜分條全面采礦法；推薦華家灣坑口的3號(hào)脈采用上向水平分層充填采礦法。

根據(jù)前述礦體和圍巖的基本穩(wěn)定性條件，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，礦體呈脈狀產(chǎn)出，厚度不大且較破碎，礦體的圍巖均為板巖。一般來說，無支護(hù)地下工程的穩(wěn)定性取決于極限暴露面積；采用Mathews圖解法[1-3]，針對(duì)不同巖性進(jìn)行容許極限跨度計(jì)算，上盤極限情況下水力半徑[4-6]的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基于穩(wěn)定區(qū)的各巖性采場(chǎng)上盤水力半徑

3 采場(chǎng)內(nèi)巖層控制技術(shù)研究

3.1 長(zhǎng)錨索支護(hù)參數(shù)計(jì)算

普氏松散體理論[7]認(rèn)為在采場(chǎng)頂部（或巷道頂部）會(huì)形成自然平衡拱（即冒落拱，如圖1所示），在這個(gè)拱內(nèi)礦巖的重力即為作用在設(shè)計(jì)的長(zhǎng)錨索上的力。采用普氏公式分別計(jì)算華家灣坑口3號(hào)脈，金塘坑口1號(hào)脈的平均單位面積的壓力、懸吊錨索的根數(shù)、單錨索可控制面積，以此最終確定各錨索支護(hù)參數(shù)。

圖1 采場(chǎng)頂部的自然平衡拱

（1）長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度[1-3]。在考慮穿孔設(shè)備、送繩方式及注漿方式等條件下，最終按組合懸吊作用和等強(qiáng)度原則，選取長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為5～8 m。

（2）錨索直徑。錨索直徑一般為15～25 mm，破斷力在120～350 kN之間。

（3）砂漿配比。砂漿采用水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥，砂子為中砂和細(xì)砂，參照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)確定水灰比為0.4，灰砂比為1:2。

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算

綜合分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于錨桿參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)定，按加固拱原理確定錨桿參數(shù)，對(duì)于跨度小于10 m的巷道、硐室，可按經(jīng)驗(yàn)公式確定錨桿參數(shù)。

（1）錨桿長(zhǎng)度L可依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，W為巷道或硐室跨度，m；N為圍巖穩(wěn)定量影響系數(shù)。其中，Ⅱ類（穩(wěn)定性較好）圍巖，N=0.9；III類（中等穩(wěn)定）圍巖，N=1.0；Ⅳ類（穩(wěn)定性較差）圍巖，N=1.1；IⅤ類（不穩(wěn)定）圍巖，N=1.2。代入式（1），可得，華家灣上盤板巖錨桿長(zhǎng)度為1.9 m；華家灣下盤板巖錨桿長(zhǎng)度為1.7 m；金塘上盤板巖錨桿長(zhǎng)度為1.7 m。

（2）錨桿間（排）距D：

則，華家灣上盤板巖錨桿間（排）距不大于0.95 m；華家灣下盤板巖錨桿間（排）距不大于0.85 m；金塘上盤板巖錨桿間（排）距不大于0.85 m。

（3）錨桿直徑d：

則，華家灣上盤板巖錨桿直徑為 0.017 m；華家灣下盤板巖錨桿直徑為 0.015 m；金塘上盤板巖錨桿直徑為0.015 m。

綜合得出礦體頂板的支護(hù)參數(shù)為：錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于1.9 m，錨桿間距為0.95 m以內(nèi)，錨桿直徑應(yīng)大于17 mm。

4 采場(chǎng)支護(hù)后跨度模擬

基于上述計(jì)算的巖層控制支護(hù)參數(shù)，對(duì)巖體最大可暴露的跨度進(jìn)行研究，以確定[7-8]采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

采用FLAC3D軟件對(duì)巷道在無支護(hù)條件下和不同支護(hù)形式下的應(yīng)力、變形、位移分布等情況分別進(jìn)行模擬和對(duì)比分析。部分模擬結(jié)果見圖2至圖7。

圖7 金塘上盤板巖錨索支護(hù)下跨度9.00 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

4.1 華家灣上盤板巖

4.1.1 華家灣上盤板巖錨桿支護(hù)

華家灣上盤板巖在錨桿支護(hù)與無支護(hù)條件下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為2.59 m、無支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力分布在采場(chǎng)的四角，最大主應(yīng)力為25.20 MPa，最小主應(yīng)力為9.50 MPa；跨度為2.59 m、錨桿支護(hù)時(shí)最大主應(yīng)力為37.50 MPa，最小主應(yīng)力為13.00 MPa；跨度為3.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為57.50 MPa，最小主應(yīng)力為12.35 MPa，見圖2（a）、圖2（b）；跨度為3.50 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為36.00 MPa，最小主應(yīng)力為10.50 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)側(cè)幫和頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)。

圖2 華家灣上盤板巖錨桿支護(hù)下跨度3.00 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為2.59 m、無支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為1.70 cm；跨度為2.59 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為1.20 cm；跨度為3.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.25 cm，見圖2（d）；跨度為3.50 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為 3.00 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板位置，側(cè)幫位移量較小。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨桿支護(hù)后比無支護(hù)下豎向位移降低，隨著跨度增大，在支護(hù)條件下[6-7]頂板位移增大，符合實(shí)際情況，因此在錨桿支護(hù)下推薦華家灣上盤板巖跨度為3.00 m。

4.1.2 華家灣上盤板巖錨索支護(hù)

華家灣上盤板巖錨索支護(hù)下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為3.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為57.50 MPa，最小主應(yīng)力為12.35 MPa；跨度為3.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為36.00 MPa，最小主應(yīng)力為 10.50 MPa，見圖3（a）、3（b）；跨度為 4.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為28.00 MPa，最小主應(yīng)力為10.50 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)側(cè)幫和頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)[8]。

圖3 華家灣上盤板巖錨索支護(hù)下跨度3.50 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為3.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.25 cm；跨度為3.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.55 cm，見圖3（d）；跨度為4.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.85 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板位置，側(cè)幫位移量較小。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨索支護(hù)后，隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護(hù)下，推薦華家灣上盤板巖跨度為3.50 m。

4.2 華家灣下盤板巖

4.2.1 華家灣下盤板巖錨桿支護(hù)

華家灣下盤板巖錨桿支護(hù)和無支護(hù)條件下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為8.17 m、無支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力分布在采場(chǎng)的側(cè)幫以及四角，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為11.60 MPa；跨度為8.17 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為11.40 MPa；跨度為8.50 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為26.00 MPa，最小主應(yīng)力為10.00 MPa，見圖4（a）、4（b）；跨度為9.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.45 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)側(cè)幫和頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)。

圖4 華家灣下盤板巖錨桿支護(hù)下跨度8.50 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為8.17 m、無支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.20 cm；跨度為8.17 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.00 cm；跨度為8.50m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.20 cm，見圖4（d）；跨度為9.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為 3.45 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板中央位置，側(cè)幫位移量較小[4]。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨桿支護(hù)后豎向位移比無支護(hù)時(shí)降低，隨著跨度增大，在支護(hù)條件下，頂板位移增大，符合實(shí)際情況，因此在錨桿支護(hù)下推薦華家灣下盤板巖跨度為8.5 m。

4.2.2 華家灣下盤板巖錨索支護(hù)

華家灣下盤板巖錨索支護(hù)下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為8.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為25.00 MPa，最小主應(yīng)力為10.00 MPa；跨度為9.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.45 MPa，見圖5（a）、圖5（b）；跨度為9.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為11.45 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)側(cè)幫和頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)。

圖5 華家灣下盤板巖錨索支護(hù)下跨度9.00 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為8.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.20 cm；跨度為9.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.40 cm，見圖5（d）；跨度為9.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為3.40 cm，但最大位移區(qū)域增大。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板位置，側(cè)幫位移量較小[8]。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨索支護(hù)后隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護(hù)下，推薦華家灣下盤板巖跨度為9.00 m。

4.3 金塘上盤板巖

4.3.1 金塘上盤板巖錨桿支護(hù)

金塘上盤板巖在錨桿支護(hù)和無支護(hù)條件下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為8.19 m、無支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力分布在采場(chǎng)的側(cè)幫以及四個(gè)角，最大為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.50 MPa；跨度為8.19 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為9.50 MPa；跨度為8.50 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為9.50 MPa，見圖6（a）、圖6（b）；跨度為9.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.50 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)側(cè)幫和頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)。

圖6 金塘上盤板巖錨桿支護(hù)下跨度8.50 m時(shí)的應(yīng)力、位移云圖

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為8.19 m、無支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.10 cm；跨度為8.19 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為1.95 cm；跨度為8.50 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.10 cm，圖6（d）；跨度為9.00 m、錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.10 cm。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板中央位置，側(cè)幫位移量較小。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨桿支護(hù)后比無支護(hù)時(shí)，豎向位移降低，隨著跨度增大，在支護(hù)條件下，錨桿數(shù)量增多，因此在錨桿支護(hù)下推薦金塘上盤板巖跨度為8.5 m。

4.3.2 金塘上盤板巖錨索支護(hù)

金塘上盤板巖錨索支護(hù)下的應(yīng)力分布規(guī)律表明，跨度為8.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為9.50 MPa；跨度為9.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.50 MPa，見圖7（a）、圖7（b）；跨度為9.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，最大主應(yīng)力為34.50 MPa，最小主應(yīng)力為10.45 MPa。采場(chǎng)周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，采場(chǎng)四角為應(yīng)力集中區(qū)域，而采場(chǎng)頂?shù)装逯醒霝閼?yīng)力釋放區(qū)。

豎向位移分布規(guī)律表明，跨度為8.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.10 cm；跨度為9.00 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.25 cm，見圖7（d）；跨度為9.50 m、錨索支護(hù)時(shí)，頂板最大位移為2.25 cm，但最大位移區(qū)域增大。巖體開挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在開挖面頂板位置，側(cè)幫位移量較小。

從數(shù)值分析的結(jié)果來看，錨索支護(hù)后隨著跨度增大，頂板位移增大，與理論符合，因此在錨索支護(hù)下推薦金塘上盤板巖跨度為9.00 m。

5 結(jié)論

（1）通過多類型巖體分級(jí)法得出，華家灣下盤板巖和金塘上盤板巖為II級(jí)巖體。

（2）利用Mathews穩(wěn)定性圖解法對(duì)礦巖體的容許安全跨度進(jìn)行了計(jì)算，得出華家灣上盤板巖安全跨度為2.59 m；華家灣下盤板巖安全跨度為8.17 m；金塘上盤板巖安全跨度為8.19 m；華家灣礦體安全跨度為1.37 m；金塘礦體安全跨度為8.19 m。錨索直徑為15 mm，錨索長(zhǎng)度為5 m，網(wǎng)度為4.33；錨桿直徑為17 mm，錨桿長(zhǎng)度不小于1.9 m，間距為0.95 m。錨索加固配合錨桿使用。

（3）根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，并綜合考慮位移、安全性與支護(hù)成本的相互制約關(guān)系，推薦支護(hù)條件下：華家灣上盤板巖錨桿支護(hù)下跨度為3 m，錨索支護(hù)下跨度為 3.5 m；華家灣下盤板巖錨桿支護(hù)下跨度為8.5 m，錨索支護(hù)下跨度為9 m；金塘上盤板巖錨桿支護(hù)下跨度為8.5 m，錨索支護(hù)下跨度為9 m。