陜西徐家溝銅礦破碎礦體出礦巷道間距研究

郭進平 李 明 王小林，2(.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 70055；2.紫金礦業集團股份有限公司，福建 龍巖 364200)

巷道開挖后周圍一定區域內應力將重新分布，若2相鄰的平行巷道間距過小，巷道會處于彼此的應力升高區，導致巷道的穩定性變差[1]。對于一般的平行巷道間距問題，目前主要考慮相鄰巷道的穩定，通過分析相鄰巷道間擾動效應來進行研究[1-3]。出礦巷道屬于平行巷道的一種，但又不同于一般的平行巷道，是采場礦石放出的咽喉通道，間距過大時相互之間應力疊加降低，巷道穩定性提高，但巷道之間的脊部殘留和下盤殘留礦量增加，礦石回收率無法保證[4]。因此，出礦巷道間距問題既涉及礦石回收率又涉及巷道穩定性，其實質是在礦石回收率和出礦巷道穩定性間取得平衡。

1 礦山概述

陜西省徐家溝銅礦礦體和圍巖均十分破碎，巖體強度低，圍巖表現出大變形的特點。根據礦體特征和礦巖性質，礦山采用階段留礦崩落法[5]回采，如圖1,中段高50 m，礦塊長50 m，一側向另一側連續回采，每次落礦只出一部分，利用采場留礦支撐頂板，底部結構為平底塹溝形式，礦體厚度超過15 m時采用雙塹溝。

圖1 階段留礦崩落法Fig.1 Stage shrinkage caving method1—中段脈外下盤運輸平巷；2—行人通風天井；3—塹溝平巷；4—切割平巷；5—切割天井；6—精礦進路；7—鑿巖硐室；9—脈內運輸巷道

階段留礦崩落法無法像無底柱分段崩落法那樣“轉段回收”[6]，一是因為上下中段的出礦巷道很難形成交錯布置，脊部殘留難以回收；二是因為采場頂板主要靠采場留礦來支撐，隨著采場礦石的大規模放出，頂板失穩下落，而礦體平均傾角只有60°，下盤礦石流動性較差，很容易因上盤圍巖的混入而被截斷，形成永久損失。因此，本中段的礦石要盡可能在本中段進行回收。

先根據橢球體放礦理論進行放礦實驗，得到徐家溝銅礦礦石放出體的偏心率方程，獲得特定放出高度下礦石放出體的短軸參數，然后按照放出體空間相切排列求得理論上的出礦巷道間距，最后通過FLAC3D數值模擬對出礦巷道的穩定性進行分析。

2 礦石流動規律研究

2.1 實驗材料制備與裝填

按照相似實驗幾何相似、物理相似和物料級配相似的要求，實驗所用的散體顆粒由現場礦石按照1∶50的相似比例破碎而成，粒徑級配與現場一致，如表1。

表1 礦石粒度及配比Table 1 Ore grain size and mixing ratio

按照橢球體放礦理論，放出體是一個旋轉對稱的橢球體，因此放礦口布置在模型下盤邊界以減少模型尺寸。實驗假定采場上盤能夠在礦石放出過程中保持穩定，為避免模型邊界影響礦石放出體的發育，模型厚50 cm，寬50 cm，高1.2 m。放礦口尺寸為4.4 cm×4.8 cm，模擬現場2.2 m×2.4 m的進路。為模擬采場放礦條件下的橢球體形態，實驗模型傾斜布置，頂底板與水平面夾角為60°(礦體平均傾角)。礦石裝填高度1 m，垂直間隔5 cm布置1層直徑5 mm的黃色標記顆粒，標記顆粒間距為2.5 cm。標記顆粒擺放和實驗模型如圖2。

圖2 實驗模型Fig.2 Experimental model

2.2 放出體參數測定

根據放出的標記顆粒圏繪出放出體輪廓，沿進路方向和垂直進路方向這2個典型的放出體剖面如圖3，其中垂直進路方向放出體剖面的右半部分由左半部分對稱而得。

圖3 典型剖面放出體曲線Fig.3 Typical profile of ore-drawing body

量取放出體的參數，按照1∶50的相似比折算成放出體實際尺寸，如表2，表中a為放出體長半軸，b為垂直出礦巷道方向的半軸，沿出礦巷道方向的半軸因與本研究無關而未作統計。

表2 礦石放出體實際參數Table 2 Actual parameters of ore-drawing body

表2中放出體的偏心率計算方法如下：

(1)

研究表明，放出體的高度H與偏心率存在以下關系[7]：

1-ε2=KH-n,

(2)

式中,K稱移動邊界系數，n稱移動跡線指數，兩者都是與礦巖性質和放礦條件有關的待求常數。對表2中的偏心率進行數學回歸，得到短半軸b的偏心率方程。

(3)

由式(3)可求得任意放礦高度對應的放出體偏心率，進而求得放出體短軸參數。

3 出礦巷道間距理論計算

一般認為，空間上每個純礦石放出體相切時礦石的損失貧化率最小，即采場結構參數最優。按照這一原理，放出體有大間距和高分段2種排列方式[8]。

按照放出體大間距排列方式，分段高度h和進路間距B有如下關系[8]：

(4)

按照放出體高分段排列方式，分段高度h和進路間距B有如下關系[8]：

(5)

采場高度達到50 m，采用高分段理論較為合適。放出高度近似取H=50 m，a=25 m，代入式(3)和式(1)，求得b=6.53 m，代入式(5)，求得進路間距B=15.1 m。

4 FLAC3D數值模擬

4.1 方案設計及數值建模

按照“本中段礦石盡量在本中段回收”的原則，實際的出礦巷道間距應小于理論計算的15.1 m。礦塊長50 m，為使各出礦巷道負擔的出礦面積大體一致，取進路間距B=10 m(方案Ⅰ)和B=12.5 m(方案Ⅱ)2種方案進行FLAC3D數值模擬。模型長40 m，寬25 m，高25 m，共72 080個單元，去除部分圍巖后如圖4。

圖4 數值計算模型Fig.4 Numerical calculation model

4.2 材料參數及應力場

數值計算采用Mohr-Coulomb模型，巖體參數如表3。

表3 巖體力學參數Table 3 Rock mechanics parameters

礦山垂直應力6.87 MPa，水平最大應力10.74 MPa，與礦體走向垂直，水平最小應力7.29 MPa，與礦體走向平行[9]。模型四周和底面采用位移約束，模型頂面施加上覆巖體產生的垂直均布荷載，模型四周施加在垂直方向上線性增加的水平荷載。

4.3 計算結果及分析

圍巖位移是巷道各種力學狀態的綜合反映[10]，垂直應力可反映相鄰巷道應力的疊加情況，塑性區體積則反映了巖體的破壞程度[11]，因此選取位移、垂直應力和塑性區體積等指標對2種方案的巷道穩定性進行評價。

4.3.1 計算結果

2種比較方案的位移、垂直應力如圖5～圖7。

圖5 垂直位移Fig.5 Vertical displacement

圖6 水平位移Fig.6 Horizontal displacement

圖7 垂直應力Fig.7 Vertical stress

由圖5～圖7可知，方案Ⅰ的頂板位移為4.37 cm，底板位移為4.52 cm，側幫位移為4.01 cm，垂直應力為10.80 MPa；方案Ⅱ的頂板位移為3.83 cm，底板位移為4.18 cm，側幫位移為3.65 cm，垂直應力為9.98 MPa，分別比方案Ⅰ小12.4%，7.5%，9.0%和7.6%。計算表明，方案Ⅱ的塑性區體積為210.5 m3，比方案Ⅰ的267.8 m3小21.4%。可見，方案Ⅱ的巷道穩定性要明顯好于方案Ⅰ。

4.3.2 結果分析

從礦石回收率上看，方案Ⅰ要優于方案Ⅱ，但方案Ⅰ的巷道穩定性要明顯低于方案Ⅱ。鑒于方案Ⅱ的進路間距為12.5 m，已經小于橢球體放礦理論計算的理論值15.1 m，礦石回收率能夠得到保證，巷道穩定性也明顯優于方案Ⅰ。因此綜合考慮認為徐家溝銅礦出礦巷道間距取12.5 m較為合適。但也應看到，由于巖體破碎、強度低，徐家溝銅礦出礦巷道變形較大，必須選取適合圍巖大變形的支護方式進行支護。

5 結 論

(1)出礦巷道不同于一般的平行巷道，確定間距時不能只考慮巷道穩定性或者礦石回收率，而要盡量在巷道穩定性和礦石回收率間取得平衡。

(2)徐家溝銅礦礦體破碎，采場頂板不穩，脊部殘留和下盤殘留礦石難以做到轉段回收，為減少采場礦石損失，本中段礦石應盡量在本中段回收。

(3)根據橢球體放礦理論開展放礦實驗獲得徐家溝銅礦礦石放出體的偏心率方程，放礦高度為50 m時放出體b軸長6.53 m，按照放出體高分段排列確定出礦巷道的理論間距為15.1 m。實際采用12.5 m的間距時，既能最大限度保證出礦巷道的穩定，又能提高礦石的回收率。

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