某礦區(qū)工程穩(wěn)定性分級方法及其在巷道支護(hù)中的應(yīng)用

許夢國 王明旭 王 平，2 甘仕偉 陳順滿 雒 凱

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院)

地壓問題一直是影響地下開采安全的主要因素之一。在地下開采過程中，原巖平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致礦巖體應(yīng)力場重新分布。在不同的地質(zhì)環(huán)境下會產(chǎn)生不同的地壓顯現(xiàn)影響，特別是處于較差地質(zhì)環(huán)境中的巷道易變形，甚至被圍巖擠壓破壞，嚴(yán)重影響井下安全。本研究深入某礦山井下進(jìn)行地質(zhì)調(diào)研，結(jié)合礦山地質(zhì)資料，依據(jù)巖體分級方法對所研究區(qū)域進(jìn)行巖體分級。同時利用數(shù)值模擬方法建立采區(qū)的數(shù)值模型，得出了所研究水平的安全系數(shù)分布情況，也得到了所研究水平的安全系數(shù)分級區(qū)域圖。將這2種分級區(qū)域圖疊加，得出了一種新的工程穩(wěn)定性分級方法，指導(dǎo)礦山井下的巷道支護(hù)工作。這樣一種方法彌補(bǔ)了巖體分級方法和數(shù)值模擬得出的安全系數(shù)分級方法兩者各自存在的不足，大大提高了井下巷道支護(hù)的準(zhǔn)確性。

1 巖體分級

某礦位于長江中下游鐵銅成礦帶西端，屬于接觸交代矽卡巖型礦床。礦體上盤主要為閃長巖、大理巖和矽卡巖，下盤主要為斑狀花崗巖和矽卡巖，上下盤之間夾有變質(zhì)巖體，礦體平均厚度53 m，平均傾角46°。礦體以15號勘探線為界分為東區(qū)和西區(qū)2個礦區(qū)。目前該礦采用無底柱分段崩落法，－430 m以上的3個水平正在進(jìn)行回采作業(yè)，－430 m水平已開拓完畢，正在進(jìn)行采準(zhǔn)巷道的掘進(jìn)。通過礦山提供的E0至E11和W0至W49勘探線的地質(zhì)剖面圖作出了－430 m水平的巖體分布區(qū) 域圖，見圖1。

對該鐵礦主要存在的5種巖體進(jìn)行了RMR分級和Q分級。將2種分級方法結(jié)合得出了綜合的巖體分級結(jié)果，見表1。在2種巖體分級結(jié)果的比較中，RMR分級和Q分級雖然是2種不同的巖體分級方法，在對巖體對象進(jìn)行分級時所考慮的因素存在一些差異，但它們之間也存在量值關(guān)系。1976年，Bieniawski［1］在大量實(shí)測統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了RMR值和Q值之間的關(guān)系，即RMR=9lg Q+44。1993年，Barton［2］提出了修正后的RMR值與Q值的關(guān)系，即RMR=15lg Q+50。

表1 綜合巖體分級結(jié)果

利用前述所得的5種巖體綜合分級結(jié)果在－430 m水平的應(yīng)用，畫出了－430 m水平的巖體分級區(qū)域圖，如圖2。Ⅱ級巖體分布主要在－430 m水平的礦體西區(qū)，大致從26#進(jìn)路到52#進(jìn)路區(qū)域。Ⅲ級巖體主要分布在大理巖的區(qū)域、東西區(qū)結(jié)合帶到西區(qū)26#進(jìn)路之間的區(qū)域和礦體上下盤圍巖區(qū)域以及礦體東區(qū)1#進(jìn)路到19#進(jìn)路的區(qū)域。Ⅳ級巖體分布主要在東西結(jié)合帶至東區(qū)19#進(jìn)路的區(qū)域、矽卡巖存在的區(qū)域以及東區(qū)端部圍巖存在很多斷層和四種巖體相互接觸的地帶。通過巖體分級區(qū)域圖的顯示，可以清晰知道－430 m水平各個區(qū)域的巖體狀況和適合采用的支護(hù)方法，為巷道的穩(wěn)定和－430 m水平采準(zhǔn)巷道作業(yè)的完成提供保證。

2 數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步明確研究區(qū)域的巖體分布情況，除了結(jié)合礦山提供的有關(guān)地質(zhì)資料外，還對所研究區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的地質(zhì)調(diào)查，并取樣進(jìn)行了相應(yīng)的巖石物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。為模擬的方便，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)處理，確定了研究區(qū)域的巖石模擬涉及的物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

通過相應(yīng)的地質(zhì)資料，畫出了各水平的礦體分布區(qū)域圖，從AutoCAD導(dǎo)出礦體分布邊界的ACIS文件，再用Import將其導(dǎo)入Workbench中，通過construction point進(jìn)行圖形描摹，再用曲線連接并擬合，從而得出了數(shù)值模擬軟件中的各個水平的礦體分布圖。該鐵礦礦體走向長1 840 m，寬度50～414 m，為了更好符合圣維南原理的要求，將數(shù)值模型尺寸定為8 000 m×8 000 m×3 000 m。在 ANSYS軟件Workbench界面中建立了不同礦巖體，進(jìn)行了相應(yīng)的材料物理力學(xué)參數(shù)的賦值。該模型上邊界為自由邊界，下邊界取全約束位移邊界條件，模型前后邊界 采用Y方向約束，左右邊界采用X方向約束。

表2 典型礦巖物理力學(xué)參數(shù)

劃分網(wǎng)格時，大模型的網(wǎng)格尺寸為300 m，礦體的尺寸為30 m，塌陷體、斷層和開挖體的尺寸都為50 m，研究區(qū)域的網(wǎng)格劃分較密，其他部位稀疏。網(wǎng)格劃分完畢共有464 150個單元，655 996個節(jié)點(diǎn)，見圖3。為了確保網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，選用了偏度skewness監(jiān)視，mesh metric平均為0.291，質(zhì)量處于較好的區(qū)間，網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量分配如圖4所示。

圖3 ANSYS網(wǎng)格模型

圖4 網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量分配

根據(jù)礦山開采技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合礦山截止品位的變化，將礦體邊界線進(jìn)行了一定程度的擴(kuò)展。塌陷體一直延伸到－360 m水平，－375 m水平和－395 m水平基本已經(jīng)回采完畢，正在進(jìn)行－410 m水平的回采工作和－430 m水平的采準(zhǔn)工作。

安全率是指由Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則所決定的極限應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的比值［3］。將安全系數(shù)按取值范圍分為5個級別，見表3。在安全系數(shù)級別Ⅳ中，由于巷道穩(wěn)定較差，頂板冒頂現(xiàn)象時有發(fā)生，有的冒頂現(xiàn)象還比較嚴(yán)重，給井下安全生產(chǎn)帶來了不利影響。對于這樣的區(qū)域，使用噴錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)成本高，耗時長，如果使用錨桿聯(lián)系鏈［4］，支護(hù)方便，成本較低，聯(lián)系鏈與噴層共同作用對頂板和側(cè)幫起到了很好支護(hù)作用，大大減少了頂板冒落和片幫的發(fā)生。

圖5是通過數(shù)值模擬建立的－430 m水平的安全系數(shù)分布區(qū)域圖。從該圖可以看出－430 m水平的安全系數(shù)較小的地方主要分布在礦體東西區(qū)結(jié)合帶、東西區(qū)與上下盤的結(jié)合帶以及東區(qū)靠近東西區(qū)結(jié)合帶的區(qū)域。其中東區(qū)靠近東西結(jié)合帶的區(qū)域也是礦山現(xiàn)場界定的高應(yīng)力區(qū)。圖6是對應(yīng)于布置有－430 m水平采準(zhǔn)巷道的安全系數(shù)分級區(qū)域圖。

表3 巖體分級與巷道支護(hù)方式的對應(yīng)

圖5 －430 m水平的安全系數(shù)分級區(qū)域圖

圖6 對應(yīng)巷道布置的安全系數(shù)分級區(qū)域圖

3 工程穩(wěn)定性分級方法及其應(yīng)用

工程穩(wěn)定性分級方法就是將巖體分級與數(shù)值模擬得出的安全系數(shù)分級綜合考慮形成的一種新的分級，以此分級指導(dǎo)井下巷道支護(hù)，維護(hù)巷道穩(wěn)定性。具體是指將某水平的巖體分級區(qū)域圖與安全系數(shù)分級區(qū)域圖疊加形成的一種新的工程穩(wěn)定性分級，依據(jù)新的工程穩(wěn)定性分級制定不同工程穩(wěn)定性分級下的巷道支護(hù)方法。表6是2種分級方法疊加所對應(yīng)的工程穩(wěn)定性分級以及相應(yīng)的支護(hù)方法。圖7是某礦區(qū)－430 m水平巖體分級區(qū)域圖與安全系數(shù)分級區(qū)域圖的疊加圖。疊加的不同類型與表4對照，從而確定了某處所需的巷道支護(hù)方法。

表4 工程穩(wěn)定性分級與巷道支護(hù)方法對照

圖7 巖體分級區(qū)域圖與安全系數(shù)分級區(qū)域圖的疊加圖

4 結(jié)論

(1)對某礦區(qū)進(jìn)行了RMR分級和Q分級，結(jié)合2種分級方法結(jié)果分析得出了綜合的巖體分級結(jié)果并將其應(yīng)用到該礦區(qū)－430 m水平，得出的該水平巖體分級區(qū)域圖與現(xiàn)場實(shí)際比較符合。

(2)建立了全礦區(qū)的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算方法得出的－430 m水平安全系數(shù)分級區(qū)域圖與現(xiàn)場實(shí)際比較吻合。

(3)數(shù)值模擬方法得出的安全系數(shù)分級區(qū)域圖和巖體分級方法得出的巖體分級區(qū)域圖疊加形成了一種新的工程穩(wěn)定性分級方法，以此方法指導(dǎo)礦山井下的巷道支護(hù)是有效的。

(4)在工程穩(wěn)定性Ⅳ級中，由于巖體不穩(wěn)定，采用了錨噴加錨桿聯(lián)系鏈的方法對巷道進(jìn)行支護(hù)，噴層與錨桿聯(lián)系鏈共同作用維護(hù)巷道穩(wěn)定，同時也提高了噴層、錨桿聯(lián)系鏈與錨桿的整體性，支護(hù)效果較好。

［1］ 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］ 姚高輝.金屬礦山深部開采巖爆預(yù)測及工程應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢科技大學(xué)，2008:21-22.

［3］ 李艷，許夢國.基于采礦過程模擬的回采順序優(yōu)化［C］∥2011年全國金屬礦山現(xiàn)代采礦關(guān)鍵技術(shù)學(xué)術(shù)研討與新設(shè)備展示會.長沙:《礦冶工程》雜志社，2011:48-51.

［4］ 許夢國，葉義成，盛建龍，等.錨桿聯(lián)系鏈在復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護(hù)中的應(yīng)用［J］. 黃金，2000，21(9):11-14.