焦家金礦破碎礦體采場進路的跨度優化研究

劉 冬 金長宇 夏自鋒 東龍賓 趙潘潘

(深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧沈陽110819)

采場圍巖的穩定性關系到礦山安全生產及經濟效益，同時也是選擇采礦方法和地壓控制方法的主要依據之一。采場圍巖的失穩，通常以頂板變形為最初的表現形式，隨著回采工作的推進，采場規模及形狀在時間和空間上不斷變化，造成采場周圍應力場也處于經常變化之中，破壞了巖體原有的物理力學平衡狀態，使得圍巖松弛，最終導致采場頂板巖體冒落、跨塌等失穩現象［1-5］。因此，加強采場巖體穩定性的研究，是采礦過程中的一個重要環節。焦家金礦－390 m中段現為主要回采中段，該中段礦體總體走向NE54°，傾向NW，傾角26°左右，厚度10～20 m，為緩傾斜礦體，厚度為中厚。礦體屬于含金黃鐵礦化、黃鐵絹英巖化破碎蝕變巖型，礦體賦礦巖石主要為黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、硅化花崗巖。礦體上盤與圍巖為斷層接觸關系，界線明顯;而礦體下盤與圍巖呈漸變過渡關系，無明顯的邊界線。采場內巖石穩固性中等，節理裂隙的交匯部位，巖石比較破碎，其穩固性相對較差，極易形成三角冒落。該中段采用上向水平分層進路充填采礦方法，采場進路沿礦體走向布置，進路規格為3.5 m×3.5 m，由于進路規格小，嚴重制約礦山生產能力，使礦山生產效率低下。因此，科學地確定出合理的采場跨度，對實現焦家金礦的安全、高效開采，增大其資源利用率，增加其經濟效益具有重大意義。

1 數值計算模型的建立

1.1 試驗采場

本次試驗采場設置在－390 m中段，為了獲得鉆孔攝像、聲波測試結果，以及了解試驗采場的地質條件及巖石力學性質，在試驗采場共設置了6個地質鉆孔，鉆孔平均長度30 m，分布在礦體及上下盤圍巖中，1和4號鉆孔處于礦體下盤，2，3和5號鉆孔處于礦體中。試驗采場的礦體分布及鉆孔布置方位如圖1所示。

圖1 焦家金礦試驗采場礦體模型及鉆孔方位Fig.1 The ore body m odel and drilling orientation diagram of Jiaojia Gold M ine test stope

綜合運用3GSM、鉆孔攝像與聲波測試手段確定出試驗采場內進路的結構面分布結果如圖2所示。

圖2 焦家金礦試驗采場內進路結構面分布Fig.2 Discontinuity distribution of Jiaojia Gold M ine test stope

1.2 離散元模型

根據巖體表面節理裂隙調查結果、鉆孔攝像以及聲波測試結果，建立三維離散元模型。模型左右邊界約束x方向位移，下邊界約束x、y、z三方向位移，前后邊界約束y方向位移，上邊界為無約束，施加上覆巖層重力。對于巖體參數，通過室內巖石力學試驗，得到如表1所示的巖體參數。

表1 試驗采場巖體參數取值Table1 Value selection of rock mass parameters in the test stope

利用經驗公式(1)對采場結構面剛度參數進行估算:

式中，Kn為結構面法向剛度;Ks為結構面切向剛度;tj為結構面厚度，一般為tj=0.1～0.6 m;Ej為充填物質的變形模量，Gj為充填物質的剪切模量。并且參考其他工程，確定了焦家金礦試驗采場內進路結構面的計算參數，如表2所示。

表2 試驗采場進路結構面參數取值Table2 Value selection of rock mass discontinuity parameters

2 不同跨度下進路圍巖穩定性分析

2.1 變形場分析

經數值模擬計算結果可以得到采場進路頂板、底板位移與采場跨度曲線，如圖3(a)、圖3(b)所示。

采場跨度為3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m時，圍巖均較穩定，變形場基本左右對稱，頂底板位移均隨著采場跨度的增加成指數形式增加，此時受巖體結構面影響較小，當采場跨度為8.5 m時，頂底板位移顯著增大，采場頂板發生冒落，此時采場主要受巖體結構面的影響，圍巖不穩定，需要及時進行支護，如圖4、圖5所示。

2.2 應力場分析

當采場跨度小于8.5 m時，采場開挖后均穩定，最大主應力主要集中在頂板邊角處，左右邊墻部分位置出現應力松弛，底板出現較多拉應力。當采場跨度為8.5 m時，采場開挖后已經發生頂板冒落，最大主應力主要集中在采場四周部分裂隙處，采場四周大量出現應力松弛，即存在大量不穩定塊體，有冒落的趨勢。采場四周大量出現拉應力，最大約為0.50 MPa，如圖6所示，其中虛線所示為原來采場進路。

圖3 采場進路頂板、底板位移與采場跨度曲線Fig.3 Relationship curves of the displacement of route roof and floor and the stope span

圖4 采場進路跨度為7.5 m時圍巖變形結果Fig.4 Results of surrounding rock deformation in the span of 7.5 m

2.3 節理變形分析

經計算得到如圖7(a)、圖7(b)所示為采場開挖后節理切向速度、法向速度隨采場跨度的變化曲線。根據結果可以看到，當采場跨為小于8.5 m時，采場開挖后較穩定，節理的切向速度、法向速度都隨著采場跨度的增加而成指數形式增加。當采場跨度增加至8.5 m時，采場進路發生坍塌，大量塊體脫離頂板，節理切向速度矢量和法向速度矢量圖如圖8所示，其中實線所示為原來采場進路。

圖5 采場進路跨度為8.5 m時圍巖變形結果Fig.5 Results of surrounding rock deformation in the span of 8.5 m

圖6 采場進路跨度為8.5 m時應力云圖Fig.6 Stress contour in the span of 8.5 m

3 結論

采用離散元數值模擬方法，通過變形、應力和節理變形等多角度分析了焦家金礦試驗采場不同跨度下開挖過程中的基本力學行為規律。

根據以上數值計算分析，采場開挖后圍巖變形矢量都指向臨空面，采場頂板和邊墻的位移都隨著采場跨度的增大而增大，從圖4(a)中可以看到，在采場穩定的前提下，頂板最大位移約5.0 mm左右，當跨度增至8.5 m時，如圖5(a)所示，頂板發生冒落，采場已不穩定。

圖7 節理變形速度與采場跨度曲線Fig.7 Relationship curves of joint deformation velocity and stope span

圖8 采場進路跨度為8.5 m時節理變形速度矢量Fig.8 Contour of joint deformation velocity vector in the span of 8.5 m

圍巖二次應力場中應力較集中的地方主要位于采場頂板左右邊角處，經計算分析，在采場穩定的前提下，最大集中應力隨著采場跨度的增大而增大，從圖6(a)、(b)中可以看到，當跨度增至8.5m時，采場四周出現大量應力松弛，頂板發生冒落，采場四周大量出現拉應力，最大可達0.5 MPa，此時采場穩定性已經主要受巖體結構面控制，在拉應力的作用下，大量節理發生張開，導致采場不穩定。

節理的剪切變形和法向變形都集中在頂板上方，節理的剪切位移速度和法向位移速度都隨著采場跨度的增大而增大。從圖7(a)、(b)中可以看到，在采場穩定前提下，節理剪切位移速度最大值約為0.86 mm/s，法向位移速度最大值約為0.81 mm/s;當跨度增至8.5 m時，頂板發生冒落，節理張開、滑動，大量塊體冒落并脫離頂板，此時采場需要支護以維持穩定。

基于以上數值計算結果分析可知，當采場跨度小于8.5 m時，采場開挖后較為穩定;當采場跨度增至8.5 m時，采場圍巖穩定性問題相當突出，頂板發生冒落，節理發生張開和滑動，需要在節理裂隙發育處加強支護，因此不建議將跨度增至8.5 m，宜在7.5 m左右。經過現場實際施工情況對比，現場實際開挖進路最大跨度為7.5 m，如圖1中所標示進路跨度，與本研究所得結果一致，進而驗證了本研究的正確性。

［1］ 黃英華，徐必根，吳亞斌.基于Mathew穩定圖的采場頂板持續冒落臨界閾值研究［J］.中國礦業，2012，21(2):122-126.

Huang Yinghua，Xu Bigen，Wu Yabin.Study on the critical value of stope roof continuous collapse be based upon Mathew stability graph［J］.China Mining Magazine，2012，21(2):122-126.

［2］ 高 謙，明士祥，任天貴.開采深埋和軟弱圍巖的緩傾斜礦體采場巷道的穩定性［J］.有色礦山，1994(2):6-9.

Gao Qian，Ming Shixiang，Ren Tiangui.Study on the stability ofstope in the gently inclined ore body condition［J］.Nonferrous Mines，1994(2):6-9.

［3］ 蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

Cai Meifeng.Rock Mechanics and Engineering［M］.Beijing:Science Press，2002.

［4］ 江興元，史俊偉，張興國，等.尾砂充填連續開采采場頂板穩定性數值分析［J］.金屬礦山，2011(11):37-40.

Jiang Xingyuan，Shi Junwei，Zhang Xinguo，et al.Numerical analysis on roof stability in continuous mill tailings filling stope［J］.Metal Mine，2011(11):37-40.

［5］ 王國富，張超凡，張法全，等.分段采礦法采場穩定性分析［J］.金屬礦山，2011(9):65-67.

Wang Guofu，Zhang Chaofan，Zhang Faquan，et al.Stope stability analysis for the sublevelminingmethod［J］.Metal Mine，2011(9): 65-67.