緩傾斜極薄礦體全面法開采殘留點柱回采方案及穩(wěn)定性分析研究

侯國權(quán)，劉光生，樊 川，郭利杰，黃 丹，原 野

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628;2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

1 礦山概況

礦山采用豎井、盲斜井、平窿方式聯(lián)合開拓，開采對象主要為石英脈型鎢礦體，礦體傾角平均20°，礦脈厚度0.3～0.8 m，采用全面留礦法開采，空區(qū)內(nèi)留有大量的點柱，而相鄰礦房之間沒有預留間柱，相鄰的采空區(qū)、以及相鄰中段的采空區(qū)基本已相互貫通形成空區(qū)聯(lián)合體。已開拓8個中段，每個中段均賦存大量采空區(qū)采空區(qū)依靠殘留的點柱支撐，點柱規(guī)格為4 m×4 m，點柱間的跨度基本小于8 m，點柱間暴露的采空區(qū)頂板面積小于80 m2，局部采空區(qū)的點柱出現(xiàn)片幫、剪切破壞等現(xiàn)象。采空區(qū)常用處理方法有崩落圍巖處理采空區(qū)、固體物料充填采空區(qū)、礦柱支撐采空區(qū)、封閉隔離采空區(qū)、聯(lián)合法處理采空區(qū)。通常，應用充填法可以最大限度地回收礦柱資源，同時礦山目前已建成一套全尾砂充填系統(tǒng)，因此采用全尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)。

2 采場允許暴露面積研究

2.1 巖體質(zhì)量評價

工程巖體質(zhì)量評價[1-2]不僅能客觀地反映巖體結(jié)構(gòu)固有的物理力學特性，而且為工程穩(wěn)定性分析、巖體的合理利用，以及正確選擇各類巖體力學參數(shù)等提供可靠的依據(jù)。巖體的質(zhì)量評價需結(jié)合巖體工程地質(zhì)調(diào)查分析、巖石的物理力學參數(shù)測試等進行綜合分析評價。

巖體工程地質(zhì)力學認為，巖體結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性有著控制作用，而巖體構(gòu)造調(diào)查是巖體工程穩(wěn)定性評價的關鍵基礎工作。本次研究前期地質(zhì)工程調(diào)查工作主要以國際巖石力學學會(ISRM) 1978年發(fā)表的《ISRM Suggested Methods for Description of Discontinuities in Rock Mass》為基礎，并參考國內(nèi)相關工程案例,采用巷道巖體出露面的構(gòu)造調(diào)查采用詳細線法開展巖體構(gòu)造調(diào)查工作[3]，如圖1所示。根據(jù)調(diào)查結(jié)果：①各巖組節(jié)理裂隙線密度在1.09～1.90條/m間變化；② 上盤圍巖屬于寬間距節(jié)理，下盤圍巖屬于中等間距節(jié)理；③各巖組節(jié)理均以粗糙的平滑節(jié)理為主；④節(jié)理張開度以閉合為主；⑤含有充填物以膠結(jié)充填為主；⑥節(jié)理以潮濕為主。礦山為石英脈型鎢礦，石英脈的直接上下盤圍巖均為變質(zhì)巖。

圖1 詳細線法巖體構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查

通過圍巖的巖石物理力學參數(shù)測試和巖體工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，基于《工程巖體分級標準》(GB 50218—2014)中對工程巖體的分級評價指標和RMR分類的經(jīng)驗公式折減法，得出上下盤各巖組基本質(zhì)量級別為Ⅱ級，屬堅硬巖，巖體較完整。礦山巖體物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 礦巖體物理力學參數(shù)設計推薦表

2.2 基于Mathews法確定頂板允許跨度

Mathews穩(wěn)定圖法[4]是由Mathews等于1981年首先提出，在此之后，Diederichs和Kaiser[5]、Trueman等[6]根據(jù)大量的工程實例，重新繪制了穩(wěn)定圖。Mawdesley[7]在其博士論文中采用對數(shù)回歸的方法，對穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)等進行了重新定義，在采用對數(shù)坐標系后各不同的區(qū)帶間，可用平行的直線表示。

首先通過NGI巖體分級指標Q確定礦巖體的穩(wěn)定數(shù)N為8.1，該指標為巖體在給定應力條件下的自穩(wěn)能力；其次是綜合考慮礦山開拓和采準工程，根據(jù)不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算形狀因子S(或水力半徑HR)，形狀因子S為采場的尺寸和形狀，該指標表征采場暴露面的幾何形狀。根據(jù)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)計算的S值和N值對照Mathews穩(wěn)定圖中穩(wěn)定-破壞分界線，若滿足采場的穩(wěn)定性要求，則S≤6.1，Mathews穩(wěn)定圖如圖2所示。[8-10]在實際生產(chǎn)中考慮1.1～1.3的安全系數(shù)，推薦礦山點柱間采空區(qū)跨度應不超過12.5 m。

3 點柱回收工藝方案

礦柱回采是一項十分復雜和特殊的工作，其制約因素很多，挑戰(zhàn)性強，安全壓力大。對于方案的選擇應遵循安全第一、效益優(yōu)先、統(tǒng)籌規(guī)劃和先易后難的原則[11]。經(jīng)綜合分析，決定采用充填法回收點柱，邊充邊采。圖3為回采方案平面示意圖。采場長75 m，寬為礦塊傾向長度，將其沿走向劃分三個回采區(qū)域，各區(qū)域自下而上分塊充填、邊充邊采、交替作業(yè)，以充填體半包裹或接觸沿走向25 m范圍內(nèi)所有點柱分塊，通過充填擋墻分區(qū)及分塊劃分采場，再造通風出礦聯(lián)道。采場充填參數(shù)為：濃度70%，灰砂比1∶8。底柱采用混凝土擋墻進行封堵，回采區(qū)域間的擋墻采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)擋墻進行封堵。

圖2 Mathews穩(wěn)定圖

圖3 點柱回采方案示意圖

4 采場點柱回采穩(wěn)定性分析

本次模擬分析采用的大型巖土工程三維數(shù)值分析軟件FLAC3D，分析該采場中殘留點柱的充填回采方案，計算獲取殘留點柱采充過程中采場礦巖和充填體的應力、位移、塑性區(qū)等演變規(guī)律，綜合驗證提出的采場殘留點柱回采方案的安全可行性[12-13]。

4.1 模型的建立

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，以及對充分考慮采場點柱充填開采對周邊空區(qū)的影響范圍進行敏感性分析后，確定整體模型的三維尺寸為729 m×360 m×260 m，如圖4所示。沿著礦體走向方向定義為X方向，總長度為729 m；垂直于礦體走向方向定義為Y方向，總寬度為360 m；實際豎直方向定義為Z方向，總高度260 m。模型采場中共分14次充填開挖完成點柱的充填回采。礦巖體物理力學參數(shù)按表1選取，濃度70%，灰砂比1∶8(7 d養(yǎng)護齡期)時充填體黏聚力c=200 kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°，彈性模量E=300 MPa，泊松比μ=0.3。

圖4 數(shù)值分析模型

4.2 模擬結(jié)果分析

按照試驗采場點柱的采充回采步驟，對過程中的應力分布情況、塑性區(qū)和位移等參數(shù)進行分析。試驗采場的點柱充填開采方案分15步充填和14步開挖，開挖到第14步時，整個試驗采場的點柱即全部回收完畢。由于篇幅有限，本文只展示具有代表性的第7步開挖和第14步開挖的結(jié)果分析。其中第7步開挖和第14步開挖的分析結(jié)果如下文所示。

4.2.1 第7步開挖結(jié)束后

第7步點柱開挖結(jié)束后的計算結(jié)果見圖5。

從圖5中也可以看到，充填體和點柱之間的應力值出現(xiàn)了很大的跳躍式變化，這主要是因為充填體自身的剛度、強度與巖體相比差距較大，導致應力無法在充填體和巖體中同等傳遞所致。從圖5(b)中可以看出巖體的邊角區(qū)域出現(xiàn)了少量的正在拉伸(tension-n)的塑性破壞區(qū)，有較多點柱出現(xiàn)了正在剪切(shear-n)的塑性區(qū)。此外，從位移云圖圖5(c)中可以看出，最大的總位移量出現(xiàn)了較大的增長，但是此時已經(jīng)被充填體限制并不會對安全造成很大影響；從等效安全系數(shù)云圖圖5(d)中可以看出，此時充填體的安全系數(shù)分布從1～6不等，故可以認為充填體已經(jīng)對巖體產(chǎn)生了明顯的控制作用。點柱第7步開挖結(jié)束后，試驗采場巖體、充填體都沒有出現(xiàn)破壞性的位移和大面積的塑性貫通區(qū)，故可以認為此時仍是整體穩(wěn)定的。

圖5 第7步開挖后巖體及充填體的力學狀態(tài)

4.2.2 第14步開挖結(jié)束后

第14步開挖結(jié)束后的計算結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，當試驗采場的點柱全部回采結(jié)束后，采場礦巖及充填都沒有出現(xiàn)破壞性的位移和大面積的塑性貫通區(qū)，整個采充過程的數(shù)值計算中都沒有出現(xiàn)計算不收斂的情況，可以認為在整個點柱回采過程中試驗采場礦巖和充填體是整體穩(wěn)定的，且充填體在地壓控制、限制永久點柱破壞和圍巖大范圍移動等方面有顯著的作用，也綜合驗證了前期提出的試驗采場點柱充填開采方案和優(yōu)選的充填體強度參數(shù)是安全可靠的。

5 結(jié) 論

本文通過通過研究采場頂板允許暴露面積,結(jié)合開采技術條件、充填工藝研究等，確定的礦柱回收工藝和采場充填工藝，并針對試驗采場的回收方案進行采場礦柱回收穩(wěn)定性數(shù)值分析，得出如下結(jié)論。

1) 本文在現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計分析與巖石力學試驗結(jié)果的基礎上，參考《工程巖體分級標準》(GB/50218—94)、《工程巖體分級標準》的參數(shù)選取法及基于RMR分類的經(jīng)驗公式折減法等2種經(jīng)驗方法，合理選取了礦山礦巖體物理力學參數(shù)，并對礦巖的巖體質(zhì)量進行評價。

2) 基于Mathews穩(wěn)定圖法、巖體質(zhì)量評價及礦巖物理力學參數(shù)，綜合確定了頂板允許暴露面積，為礦柱回采工藝參數(shù)確定提供科學依據(jù)。

3) 采用FLAC3D軟件對試驗采場點柱采充方案的采充過程進行了數(shù)值模擬，綜合試驗采場采充過程中的最大主應力、最小主應力、塑性區(qū)、等效安全系數(shù)和總位移等參數(shù)分析，得出了在數(shù)值模型中礦巖和充填體的力學參數(shù)條件下，每個采充時步中采場礦巖和充填體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，綜合驗證了試驗采場點柱充填開采方案是安全可行的，從而為下一步工業(yè)試驗提供了技術支撐。

圖6 第14步開挖后巖體及充填體的力學狀態(tài)