凡口鉛鋅礦間柱采場穩(wěn)定性分析

阮喜清，黃宣東，劉 博,3，史秀志

(1.凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關(guān)市 512325； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083;3.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

凡口鉛鋅礦目前主要采用盤區(qū)機(jī)械化上向水平淺孔分層充填法、盤區(qū)機(jī)械化上向水平中深孔分層充填法和無底柱后退式大直徑深孔爆破嗣后充填采礦法[1](即FDQ法)。這些采礦方法均是垂直礦體走向布置采場，分兩步驟回采，劃分間柱作為回采礦房時的支柱，間柱對整個礦體起著“骨架”的作用，礦房充填后，再依據(jù)一定的開采順序回采間柱。

經(jīng)過數(shù)十年的開采，礦房采場數(shù)量越來越少，同時產(chǎn)生了不少的間柱。資料[2]顯示目前凡口鉛鋅礦間柱采場占總采場數(shù)的26.2%。這些間柱受礦房回采時應(yīng)力擾動的影響，部分區(qū)域應(yīng)力集中，節(jié)理、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，斷層出現(xiàn)局部活動。就規(guī)模而言，從局部裂隙擴(kuò)展直到巖層大范圍移動；就時間而言，頂板松弛、底臌及片幫等緩慢破壞過程延續(xù)時間可能是幾周甚至幾個月；諸如塌方、冒頂、巖爆，甚至采場大規(guī)模、一次性冒落等沖擊式破壞是瞬間的，且危害極大。目前在凡口鉛鋅礦間柱回采條件越來越復(fù)雜的情況下，間柱采場的穩(wěn)定性等安全問題越來越突出，因此研究間柱采場的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 間柱采場穩(wěn)定性分析

1.1 間柱采場穩(wěn)定性影響因素

(1) 采場構(gòu)造地應(yīng)力。在礦房采場開挖的過程中，由間柱吸收地應(yīng)力，而礦房充填體隔離了地應(yīng)力的傳遞，使間柱產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(2) 礦房充填體作用。間柱回采時，礦房充填體起接觸支撐間柱的作用。充填體作為間柱回采時的人工礦柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)具有剛性的間柱逐步回采后，低模量的充填體則不得不承受轉(zhuǎn)移過來的載荷，間柱的自重依賴于充填體與間柱之間的剪切力和上下圍巖對礦體的固定約束力，因此其穩(wěn)定性受充填體影響。

(3) 采場崩礦方式。凡口鉛鋅礦目前采用的3種崩礦方式[3]都會引起采場形態(tài)發(fā)生快速變化，使次生應(yīng)力場不斷變化，因此間柱可能發(fā)生局部或大面積破壞。

(4)采場爆破震動。礦房和間柱爆破時，規(guī)模都比較大，單段藥量難以控制，且采場的爆破作業(yè)頻繁，不僅對采場本身的礦巖結(jié)構(gòu)造成破壞，而且對相鄰的采場、巷道和充填體造成破壞。

1.2 間柱采場失穩(wěn)形式

根據(jù)上述因素分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，間柱采場的失穩(wěn)破壞主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 采掘過程中巖塊失穩(wěn)，局部冒落，這種現(xiàn)象比較普遍；

(2) 采場內(nèi)點(diǎn)柱承載過大，點(diǎn)柱破壞后失去支撐力，采場局部失穩(wěn)；

(3) 采場整體結(jié)構(gòu)受力不平衡，出現(xiàn)整體滑落，這種現(xiàn)象比較少，但后果嚴(yán)重；

(4) 采空區(qū)側(cè)向暴露不合理，充填體垮塌，增加礦石貧化損失，威脅出礦安全。

2 間柱采場力學(xué)分析

2.1 間柱采場回采步驟

間柱采場采準(zhǔn)切割步驟：下部出礦硐室拉底巷使進(jìn)路與通風(fēng)巷道貫穿，或者掘進(jìn)到指定的位置垂直向上施工通風(fēng)天井，然后沿拉底巷后退式擴(kuò)幫到兩側(cè)充填體；擴(kuò)幫過程中根據(jù)設(shè)計要求或?qū)嶋H需要留下點(diǎn)柱支撐頂板。下部硐室擴(kuò)幫完成后開始施工上部鑿巖硐室，根據(jù)設(shè)計要求或?qū)嶋H留下點(diǎn)柱或連續(xù)礦柱來支撐硐室頂板；上部硐室擴(kuò)幫后一般用錨桿鐵絲網(wǎng)對頂板進(jìn)行全面錨護(hù)，以保證作業(yè)人員的安全，然后采用潛孔鉆鉆鑿下向深孔。

間柱采場回采步驟：一般是先在采場的端頭采用VCR法進(jìn)行切割拉槽，多次拉槽后留最后一層適當(dāng)厚度進(jìn)行一次大藥量破頂爆破；余下礦體進(jìn)行側(cè)向崩礦，分配合理的裝藥量多次完成。深孔采礦法回采間柱一般步驟見圖1。

圖1 間柱采場采準(zhǔn)切割回采一般步驟

2.2 間柱采場應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律

間柱采場形成應(yīng)力的原因有：

(1) 回采空間的擴(kuò)大及其與上下盤的相互作用；

(2) 礦柱的剛性與屈服性能；

(3) 充填體的反作用力；

(4) 破碎礦石流動應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果。

采場應(yīng)力的主要特征是動態(tài)變化的。礦房采場回采時，地層應(yīng)力向兩側(cè)的間柱采場和上下盤的圍巖轉(zhuǎn)移，礦房充填體對間柱采場和上下盤圍巖進(jìn)行側(cè)向約束，阻止其進(jìn)一步發(fā)生大的位移，但由于充填體剛度小于礦體，其所能支承來自間柱與圍巖的應(yīng)力很有限，礦房充填體總是被動接受來自間柱采場轉(zhuǎn)移的應(yīng)力。采場回采過程的應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況見圖2。

圖2 采場回采過程的應(yīng)力轉(zhuǎn)移

2.3 間柱采場力學(xué)模型

根據(jù)采場回采時的應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，分析深孔采礦法回采間柱的受力情況，其力學(xué)模型可分為3種情況[4]：

(1) VCR法分層崩礦適用于跨度較小的近似立柱體的礦體，其穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于最后一分層厚度的控制和充填體的自立高度。

(2) VCR法切槽-分段側(cè)向崩礦適用于長度適中、高度較大的礦體，回采時切割拉槽高度高于分段側(cè)向崩礦，這種崩礦方式地壓較易控制，其穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于采場跨度的控制與最后破頂層的厚度。

(3)VCR法切槽-全孔側(cè)向崩礦適用于長條式的礦體，其穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于側(cè)向崩礦時采場長寬比和長高比的合理性以及充填體的穩(wěn)定性。采場破頂后，采場與上盤圍巖分離，不受上盤圍巖的約束，采場的邊界受力發(fā)生變化，主要靠充填體與礦體之間的相互作用力和下盤圍巖的支撐力，若點(diǎn)柱設(shè)計不合理，則后退式側(cè)向崩礦時采場失去點(diǎn)柱支撐，有可能失穩(wěn)破壞。

另外，凡口鉛鋅礦淺部礦體的采場穩(wěn)定性也受斷層的影響，斷層弱化了礦體與圍巖的連續(xù)性，而加大了充填體與間柱的接觸面的荷載，當(dāng)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理時，充填體的支撐荷載就可能超過接觸面的抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致采場失穩(wěn)。凡口鉛鋅礦間柱采場側(cè)向崩礦見圖3。

圖3 間柱回采側(cè)向崩礦

3 間柱采場失穩(wěn)極限平衡分析

3.1 極限平衡理論分析法

極限平衡法[5]廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析，該法以條分法為基礎(chǔ)，將潛在的滑動塊體劃分為若干條塊，計算各條塊所受的下滑力和抗滑力，根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)以及邊坡滑體上的抗滑力與下滑力之間的關(guān)系。

極限平衡理論不考慮巖體內(nèi)部的應(yīng)力位移情況，而只考慮研究對象的靜力平衡和極限剪切破壞條件。極限平衡計算的形式之一是潛在不穩(wěn)定巖體或塊體的抗滑安全系數(shù)，安全系數(shù)的定義為沿著最危險破壞面作用的最大抗滑力(或力矩)與下滑力(或力矩)的比值。

3.2 間柱失穩(wěn)力學(xué)模型

前文已經(jīng)分析了間柱采場的力學(xué)模型，認(rèn)為長條式間柱采場最容易產(chǎn)生失穩(wěn)的情況是在破頂之后的側(cè)向崩礦過程，并且下部出礦硐室沒有留點(diǎn)柱支撐，因?yàn)榧词沽粝卤０颤c(diǎn)柱，在采礦崩礦過程中也要與采場同時爆破，況且點(diǎn)柱可能因巖體存在結(jié)構(gòu)裂隙而受壓破壞，承載力下降。因此分析這種最不利情況下的采場穩(wěn)定性很有必要。間柱回采側(cè)向崩礦滑動失穩(wěn)的三維楔體模型見圖4。

3.3 安全系數(shù)計算

應(yīng)用極限平衡理論分析，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究，分析圖4的失穩(wěn)力學(xué)模型，建立極限平衡方程組，得到安全系數(shù)Fs為：

圖4 間柱回采側(cè)向崩礦滑動失穩(wěn)力學(xué)模型簡圖

式中，G為間柱礦體自重；γm為礦體的體重；H、W、L分別為間柱礦體滑體的高、寬、長；θ為斷層面與水平方向的夾角；T1為充填體與礦體之間的剪切阻力；T2為礦體沿斷層面滑動的剪切阻力；Fs為安全系數(shù)，表示抗滑力與下滑力的比值；S1為充填體與礦體的接觸面積，即面ABCD；S2為斷層與礦體的接觸面積，即面AEHD；N1為充填體對礦體的側(cè)壓力的合力；N2為斷層面對礦體的支撐合力；C1，φ1分別為充填體與礦體接觸面的粘聚力和內(nèi)摩擦角；C2，φ1分別為斷層與礦體接觸面的粘聚力與內(nèi)摩擦角。

3.4 間柱結(jié)構(gòu)參數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系

在安全系數(shù)公式中代入間柱采場的物理力學(xué)參數(shù)，其中C=C1=0.1 MPa，C2=0.05 MPa，γm=38000 kN/m3，θ=80°，φ1=30°，φ2=30°得到不同間柱采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的安全系數(shù)(見圖5)。

圖5 安全系數(shù)與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

從圖5可知，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對安全系數(shù)影響很大，隨著采場寬度W的增加，安全系數(shù)下降；隨著長高比L/H的增大，采場安全系數(shù)降低。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這是符合實(shí)際的。充填體與間柱礦體之間的粘結(jié)力和充填體的粘結(jié)力越強(qiáng)，越有利于安全；同時斷層等結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度對采場的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

(1) 通過分析凡口鉛鋅礦間柱采場穩(wěn)定性的影響因素及失穩(wěn)形式，分析間柱采場在采切時的應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況，根據(jù)凡口鉛鋅礦的崩礦方式，分析認(rèn)為長條式間柱采場全孔側(cè)向崩礦時最容易失穩(wěn)。

(2) 用極限平衡理論中的安全系數(shù)法分析穩(wěn)定性有一定的局限性，因?yàn)椴牧蠀?shù)的選取對結(jié)果影響很大，而要得到完全符合實(shí)際的參數(shù)相當(dāng)困難，因此計算的結(jié)果偏向保守。

(3) 采場的寬度越大安全系數(shù)下降越快；減小采場的長高比有利于提高安全系數(shù)；充填體和斷層處的粘結(jié)力強(qiáng)弱對安全系數(shù)的影響也很大。因此提高充填體的粘結(jié)力或者選擇合適的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)可改善間柱采場的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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