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    凡口鉛鋅礦大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場圍巖穩(wěn)定性分析

    2023-06-05 15:47:21陳衛(wèi)東石勇史秀志
    黃金 2023年4期
    關(guān)鍵詞:采礦工程數(shù)值模擬穩(wěn)定性

    陳衛(wèi)東 石勇 史秀志

    摘要:為保障礦山安全生產(chǎn)前提下的尾砂有效堆存,針對凡口鉛鋅礦獅嶺南Shn-455 m和獅嶺Sh-600 m 2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場,采用理論模型、極限平衡法、Mathews穩(wěn)定圖解法、數(shù)值模擬技術(shù)研究了采場圍巖的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明:基于礦山需求和工程經(jīng)驗設(shè)計的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠使采場圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài),Shn-455 m和Sh-600 m采場頂板巖體穩(wěn)定概率分別為89.8%和88.5%。在保證頂板巖體95%穩(wěn)定概率的要求下,進一步將Sh-600 m和Shn-455 m采場允許暴露的采場頂板走向長度確定為53.6 m和50.8 m。經(jīng)數(shù)值模擬分析,優(yōu)化后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)在采場開挖前后均能保證采場巖體具有較小的沉降量,但仍可以通過采取支護措施的方法減少采場周邊巖體塑性區(qū)的發(fā)育,確保大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。研究成果對保證凡口鉛鋅礦安全生產(chǎn)有重要理論和實踐指導(dǎo)意義,也能為同類工程設(shè)計施工提供參考。

    關(guān)鍵詞:采礦工程;大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性;極限平衡法

    中圖分類號:TD853文章編號:1001-1277(2023)04-0005-05

    文獻標(biāo)志碼:Adoi:10.11792/hj20230402

    引 言

    深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦(下稱“凡口鉛鋅礦”)地處廣東省韶關(guān)市,交通便利,礦區(qū)面積約24 km2。礦山于1958年建礦,1968年投產(chǎn),礦產(chǎn)資源以鉛、鋅和銀為主,摻雜著鎵、鍺等稀有金屬。經(jīng)過近50年的發(fā)展,礦山年產(chǎn)值已達約20億元,對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

    目前,礦山尾砂產(chǎn)率約為60%,其中75%的選礦尾砂被用于充填井下采空區(qū),剩余尾砂則被輸送至離礦區(qū)10 km的尾礦庫進行堆存。近年來,礦山開始籌劃尾礦庫全面退出工作,如何安置原本應(yīng)排往尾礦庫的尾砂已成為礦山亟待解決的現(xiàn)實問題。為此,凡口鉛鋅礦提出了回采遠離主礦體的廢石以形成超大廢石采空區(qū)來堆存剩余細粒級尾砂的方法。如此,將地下采空區(qū)改建成尾礦堆存系統(tǒng),既安全環(huán)保又具有顯著經(jīng)濟和社會效益。然而,超大廢石采空區(qū)的開挖將給礦山帶來采空區(qū)穩(wěn)定性問題。既有工程經(jīng)驗[1-3表明:采空區(qū)失穩(wěn)容易導(dǎo)致山體滑坡、地表塌陷、邊坡垮塌等安全事故。更有甚者將引發(fā)礦山泥石流,進而嚴重破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境、危及人民群眾生命安全。

    鑒于此,本文將針對凡口鉛鋅礦設(shè)計開挖的獅嶺南Shn-455 m和獅嶺Sh-600 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場開展穩(wěn)定性分析,為保證礦山安全生產(chǎn)提供理論和實踐指導(dǎo)。

    1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

    凡口鉛鋅礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)[4見表1。

    為充分表征和描述礦山巖體質(zhì)量,采用RMR和巴頓Q分級方法對獅嶺南Shn-455 m和獅嶺Sh-600 m采場巖體開展了巖體質(zhì)量評價分析。RMR分級結(jié)果表明:Sh-600 m采場巖體等級為Ⅱ級,巖體質(zhì)量好;Shn-455 m采場巖體等級為Ⅲ級,巖體質(zhì)量中等。巴頓Q分級結(jié)果表明:Sh-600 m采場巖體等級為Ⅱ級,巖體質(zhì)量好;Shn-455 m采場巖體等級為Ⅲ級,巖體質(zhì)量中等。

    2 理論模型分析

    為開展穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)選研究,依據(jù)礦山實際需求和相關(guān)工程經(jīng)驗,凡口鉛鋅礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)初步設(shè)計見表2。

    鑒于大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性,在開展理論模型分析前需制定以下假設(shè)和簡化來減小分析難度[5-6:①假設(shè)大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場內(nèi)巖體連續(xù)、均質(zhì)且各向同性;②假設(shè)大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場巖體變形處于彈性階段;③假設(shè)大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場巖體變形量可以忽略不計;④將大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場頂板穩(wěn)定性問題歸類為薄板的小撓度彎曲問題;⑤采用拉、剪應(yīng)力強度理論判斷材料失效;⑥采用矩形頂板四邊固支力學(xué)模型展開分析。

    四邊固支的矩形薄板彎曲問題(見圖1)中,撓度(w)最大值通常出現(xiàn)在薄板的中心。

    式中:q為頂板承受的均勻載荷(kN/m2);μ為圍巖泊松比;E為彈性模量(MPa)。

    經(jīng)計算,Sh-600 m采場頂板承受的均勻載荷為1.79×104kN/m2,矩形薄板的最大撓度為34.3 mm;Shn-455 m采場頂板承受的均勻載荷為1.4×104kN/m2,矩形薄板的最大撓度為7.3 mm。2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場頂板位移變化不明顯,變形量遠小于頂板的厚度。由變形理論判斷,2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場頂板均處于安全狀態(tài),采場基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    3 極限平衡法分析

    極限平衡法具有應(yīng)用簡便、計算誤差小的特點,因此該方法可被用于驗證大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場的穩(wěn)定性。

    巖梁應(yīng)力分析見圖2,依據(jù)固定梁的受力特性,最大彎矩將發(fā)生在梁的中心,而頂板彎矩和頂板厚度間關(guān)系為:

    式中:δmax為極限抗拉強度(MPa);γ為巖石容重(kN/m3);h1為采場距地表深度(m)。

    經(jīng)計算,Sh-600 m采場的極限頂板厚度為8.2 m,Shn-455 m采場的極限頂板厚度為7.15 m。各采場初步設(shè)計的頂板厚度均大于極限破壞狀態(tài)下的頂板厚度,故采場頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    4 Mathews穩(wěn)定圖解法分析

    Mathews穩(wěn)定圖解法可以通過計算巖體的穩(wěn)定性系數(shù)(N)和水力半徑(S)來分析判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài)。MILNE[7的研究表明:在不規(guī)則形態(tài)采場頂板情況下,采用水力半徑指導(dǎo)采礦生產(chǎn)能很好地避免采場的超欠挖,防止采場出現(xiàn)不穩(wěn)定或垮落危險。在穩(wěn)定圖解法中,水力半徑與巖體穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系通常采用Mathews穩(wěn)定圖表征[8-9(見圖3)。

    Ⅰ—穩(wěn)定區(qū) Ⅱ—過渡區(qū) Ⅲ—破壞區(qū)

    S1—穩(wěn)定狀態(tài)水力半徑曲線 S2—破壞狀態(tài)水力半徑曲線

    圖3 Mathews穩(wěn)定圖

    在Mathews穩(wěn)定圖解法的使用過程中,研究人員通常需要先計算暴露面穩(wěn)定性系數(shù)(N),然后在Mathews穩(wěn)定圖中尋找對應(yīng)水力半徑值,但人的主觀因素會對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。近年來,馮興隆[10基于對數(shù)回歸改進了Mathews穩(wěn)定圖,構(gòu)造了暴露面穩(wěn)定性系數(shù)和水力半徑的函數(shù)關(guān)系式。相較于原始Mathews穩(wěn)定圖解法,改進的Mathews穩(wěn)定圖解法有效規(guī)避了研究人員的主觀性,為判斷采空區(qū)穩(wěn)定性提供了新方法。

    穩(wěn)定狀態(tài)下水力半徑曲線擬合公式為:

    ln N=1.828 55ln S1-1.589 7 ???(3)

    破壞狀態(tài)下水力半徑曲線擬合公式為:

    ln N=1.819 5ln S2-6.933 8 ???(4)

    經(jīng)計算:當(dāng)Sh-600 m采場頂板巖體水力半徑(S1)為10.7 m時,巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)Sh-600 m采場頂板巖體水力半徑(S2)為204.4 m時,頂板處于極限冒落狀態(tài)。當(dāng)Shn-455 m采場頂板巖體水力半徑(S1)為11.0 m時,巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)Shn-455 m采場頂板巖體水力半徑(S2)為208.5 m時,頂板處于極限冒落狀態(tài)。對于初步設(shè)計的Sh-600 m和Shn-455 m采場,其實際水力半徑分別為8.52 m及8.01 m,可見實際水力半徑均小于穩(wěn)定-破壞極限狀態(tài)下的水力半徑,但2個采場頂板實際水力半徑值均接近Mathews穩(wěn)定圖中的穩(wěn)定-破壞邊界,表明采場巖體仍存在破壞可能。

    2004年,MAWDESLEY[11重新定義了穩(wěn)定區(qū)和破壞區(qū),進而在等概率圖中劃分了穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)和冒落區(qū)。在穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的logit模型中,穩(wěn)定概率(Z)是水力半徑、Mathews穩(wěn)定性系數(shù)和常數(shù)的線性函數(shù),計算方法[12為:

    Z=2.960 3-1.442 7ln S+0.792 8ln N ???(5)

    經(jīng)計算,Sh-600 m和Shn-455 m采場頂板巖體的穩(wěn)定概率分別為88.5%和89.8%。為保障礦山安全生產(chǎn),有必要確保采場頂板的穩(wěn)定概率達到95%,需要進一步優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。將大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場頂板的穩(wěn)定概率代入式(5)后,穩(wěn)定概率95%的Sh-600 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場頂板水力半徑為7.24 m。結(jié)合水力半徑定義公式,未支護情況下,采場頂板長度小于34.5 m時,大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。同理,穩(wěn)定概率95%的Shn-455 m采場頂板水力半徑為7.40 m。未支護情況下,采場頂板長度小于40.3 m時,大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。可見,未支護情況下,采場頂板長度參數(shù)通常較小,難以滿足現(xiàn)場實際需求,需要考慮在大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場中布置支護措施以擴大采場規(guī)模。布置支護措施后,Sh-600 m和Shn-455 m采場允許暴露的采場頂板走向長度分別為92.1 m和147.8 m。結(jié)合凡口鉛鋅礦大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場的現(xiàn)場條件,選定Shn-455 m采場允許暴露的采場頂板走向長度為50.8 m,Sh-600 m采場允許暴露的采場頂板走向長度為53.6 m。

    5 數(shù)值模擬分析

    鑒于Flac3D軟件在巖土工程、礦業(yè)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,本文采用Flac3D軟件模擬了凡口鉛鋅礦Sh-600 m和Shn-455 m采場開挖前后應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布。大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場數(shù)值模型由廢石組成,圍巖類型為D2db巖層。模型采用位移約束限制模型側(cè)面水平位移和模型下表面垂直位移,通過在上表面施加垂直均勻載荷表征上部巖體重力。此外,本文采用巖體的應(yīng)力和位移量來綜合判斷圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)巖體的應(yīng)力超過巖體的極限強度時,可以判定巖體將發(fā)生破壞。而在采用位移量衡量圍巖穩(wěn)定性方面,判斷依據(jù)見表3[13。

    根據(jù)Mathews穩(wěn)定圖解法分析結(jié)果:Shn-455 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場的采場長度、跨度和高度分別為50.8 m、23.4 m和30.7 m,數(shù)值模型尺寸為99 m×50 m×60 m,包含網(wǎng)格單元176 290個、節(jié)點188 271個。Sh-600 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場的采場長度、跨度和高度分別為53.6 m、25.0 m和36.1 m,數(shù)值模型尺寸為92.4 m×50 m×60 m,包含網(wǎng)格單元190 760個、節(jié)點202 842個。采場數(shù)值模型見圖4。

    開挖上、下部硐室后,對采場頂?shù)装宓奈灰屏考爸鲬?yīng)力分布狀態(tài)進行分析,結(jié)果表明:Shn-455 m采場頂板最大豎向沉降位移為17.1 mm,底板最大隆起為6.1 mm;Sh-600 m采場頂板最大豎向沉降位移為15.9 mm,底板最大隆起為7.85 mm。鑒于位移量均小于20 mm,可判斷當(dāng)前狀態(tài)下采場巖體能保持穩(wěn)定狀態(tài)。此外,采場巖體最大壓應(yīng)力均小于巖石的壓縮強度極限,且2個采場巖體所受拉應(yīng)力極小。

    塑性區(qū)分析結(jié)果(見圖5)表明:2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場上部硐室頂板均只存在零星散落的剪切破壞單元,頂板巖體基本不存在拉伸破壞。然而,采場礦柱存在明顯的剪切破壞帶,有的剪切破壞帶甚至貫穿礦柱。為實現(xiàn)礦山安全開采,有必要對采場頂板進行支護,減少上覆巖層對礦柱的壓力,避免礦柱因載荷過重而產(chǎn)生破壞,進而導(dǎo)致頂板垮落。

    開挖后的Shn-455 m和Sh-600 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場主應(yīng)力分析結(jié)果(見圖6和圖7)表明:Shn-455 m采場頂板和兩幫巖體均處于壓拉狀態(tài),頂板巖體所受最大拉應(yīng)力為4.1 MPa,拉應(yīng)力分布區(qū)域高度約為5 m。采場巖體所受最大壓應(yīng)力為61.7 MPa,小于巖石的壓縮強度極限,采場兩端轉(zhuǎn)角位置存在應(yīng)力集中。Sh-600 m采場頂板巖體同樣處于壓拉狀態(tài),頂板巖體所受最大拉應(yīng)力為4.4 MPa,拉應(yīng)力分布區(qū)域高度約為5 m。Sh-600 m采場兩幫巖體應(yīng)力分布優(yōu)于Shn-455 m采場,兩幫巖體拉應(yīng)力分布區(qū)域相對Shn-455 m采場更小。采場巖體所受最大壓應(yīng)力為70.3 MPa,雖小于巖石壓縮強度極限,但在采場轉(zhuǎn)角部位存在應(yīng)力集中,容易產(chǎn)生應(yīng)力釋放,進而對頂板和邊幫巖體產(chǎn)生破壞。由于采場巖體均未達到圍巖強度極限,可以判定開挖后的2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    Shn-455 m和Sh-600 m采場開挖后的位移云圖見圖8和圖9。由圖8、圖9可知:Shn-455 m采場巖體最大位移沉降量為40.7 mm,發(fā)生在頂板位置,底板有11.6 mm的隆起。Sh-600 m采場巖體最大位移沉降量為48.3 mm,發(fā)生在頂板位置,底板有11.8 mm的隆起,頂板下沉局部區(qū)域出現(xiàn)了連通。依位移穩(wěn)定性判據(jù),Shn-455 m和Sh-600 m采場開挖后采場巖體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。但頂板巖體位移出現(xiàn)了局部連通,頂板可能產(chǎn)生冒落。因此,有必要支護采場頂板,進而加強頂板巖體的穩(wěn)定性。由于2個大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場開挖后兩幫的位移量均小于11 mm,依位移穩(wěn)定性判據(jù),開挖后采場不會產(chǎn)生塌陷,采場仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

    由采場開挖以后的塑性區(qū)分布(見圖10)可知:Shn-455 m采場開挖后,頂板四周和兩幫均出現(xiàn)了剪切破壞,雖塑性區(qū)范圍較小,但頂板巖體中存在應(yīng)力集中,容易導(dǎo)致采場頂板巖體垮落。該現(xiàn)象與Shn-455 m采場開挖后局部區(qū)域出現(xiàn)4.1 MPa拉應(yīng)力的現(xiàn)象相符。Sh-600 m采場開挖后頂板沒有出現(xiàn)明顯的破壞,只有采場兩幫存在些許剪切破壞,采場周邊巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合Sh-600 m大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場開挖后的主應(yīng)力分析可知:最大拉應(yīng)力為4.4 MPa,接近巖體的抗拉強度,因此需要加強頂板巖體的穩(wěn)定性,確保礦山生產(chǎn)安全。以上分析表明,采場巖體總體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。但由于頂板的大面積暴露,頂板巖體容易冒落,存在一定安全隱患,需要對采場頂板及兩幫采取支護措施來確保采場巖體穩(wěn)定。

    6 結(jié) 論

    1)頂板力學(xué)模型分析表明:Sh-600 m采場頂板最大撓度為34.3 mm,Shn-455 m采場頂板最大撓度為7.3 mm,頂板沉降不顯著。

    2)運用極限平衡法對大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場巖體穩(wěn)定性進行了理論驗證,經(jīng)計算:Sh-600 m和Shn-455 m采場的實際頂板厚度均大于極限破壞狀態(tài)下的頂板厚度。

    3)采用Mathews穩(wěn)定圖解法計算了采場穩(wěn)定-破壞極限狀態(tài)下各巖體的極限水力半徑及實際水力半徑。經(jīng)計算,Shn-455 m和Sh-600 m采場各巖體的實際水力半徑均小于穩(wěn)定-破壞極限狀態(tài)下的水力半徑。

    4)初始設(shè)計參數(shù)下,Shn-455 m和Sh-600 m采場頂板巖體的穩(wěn)定概率分別為89.8%和88.5%。保證巖體穩(wěn)定概率95%時,Sh-600 m和Shn-455 m采場允許暴露的采場頂板走向長度分別為53.6 m和50.8 m。

    5)數(shù)值模擬分析表明:Shn-455 m和Sh-600 m采場沉降量均小于巖體穩(wěn)定狀態(tài)下的位移量。同時,Shn-455 m和Sh-600 m采場開挖后均出現(xiàn)了一定范圍的塑性區(qū),為確保采場各部位巖體處于穩(wěn)定狀態(tài),需采取合理的支護措施。

    [參 考 文 獻]

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    Analysis of stope stability with large structure parameters in Fankou Lead-Zinc Mine

    Chen Weidong1,Shi Yong2,Shi Xiuzhi2

    (1.Fankou Lead-Zinc Mine,Shenzhen Nonfemet Co.,Ltd.

    ;

    2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University)

    Abstract:To ensure the effective stockpiling of tailings under the premise of safe mine production,a theoretical model,limit equilibrium method,Mathews stability diagram method,and numerical simulation technology were applied to analyze the stability of 2 stopes with large structural parameters:Shilingnan Shn-455 m and Shiling Sh-600 m in Fankou Lead-Zinc Mine.The analysis results show that the stope structure parameters designed based on mining requirements and engineering experience can keep the surrounding rock in a stable state,and the stability probability of the roof? rock mass of Shn-455 m and Sh-600 m stopes is 89.8% and 88.5% respectively.Under the requirement of ensuring a 95% stability rate of the rock mass,the allowable exposed roof strike lengths of Sh-600 m and Shn-455 m stopes are further determined as 53.6 m and 50.8 m.According to the numerical simulation analysis,the optimized stope structure parameters can ensure that the rock mass has a small settlement before and after the excavation.Meanwhile,the development of the plastic zone in the rock mass around the stope can be reduced by applying rock support measures,keeping a stable state of the stope with large structure parameters.This research result has important theoretical and practical guiding significance for ensuring the safe production of Fankou Lead-Zinc Mine,and can also provide a reference for the design and construction of similar projects.

    Keywords:mining engineering;stope with large structure parameters;numerical simulation;stability;limit equilibrium method

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